【能源】高锌利用率水系软包电池实现5000圈可逆循环- 大数跨境

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2024-06-16

导读：阿德莱德大学乔世璋院士团队提出了一种实用且经济的方法，即在2 M ZnSO4电解液中添加咪唑基添加剂（1-丁基-3-甲基咪唑基甲磺酸盐，BMIS）。

随着对可靠且经济的能源存储手段的需求日益增长，开发低成本、高安全性、长寿命、低自放电和高库仑效率（CE）的电池技术显得尤为重要。水系锌-碘（Zn-I₂）电池因其安全性和锌的丰富性（地壳中含量为79 ppm）而被认为在大规模能源存储应用中具有实际可行性。此外，碘在海洋中的含量为50到60 µg L⁻¹，同样也是一种相对丰富的资源。碘基电池因生成的可溶性多碘化物（如I₃^-和I₅^-）具有良好的反应动力学，表现出优异的倍率性能。然而，实际应用中面临的一个重大挑战是碘的转化过程中形成的高度可溶多碘化物会导致明显的穿梭效应、低库仑效率和严重的自放电问题。此外，穿梭效应还会引发多碘化物与锌电极之间的副反应，消耗活性锌，降低锌的放电深度（DOD）。尽管已有多种方法被报道用于解决这些问题，如设计多孔碳宿主限制穿梭效应、通过孔隙限制改变碘的反应路径和采取保护措施防止锌阳极与I₃^-和I₅^-反应，然而，锌-碘电池在低电流密度下的库仑效率仍低于99%，显著影响了其能量效率和使用寿命。

最近，阿德莱德大学乔世璋院士团队提出了一种实用且经济的方法，即在2 M ZnSO₄电解液中添加咪唑基添加剂（1-丁基-3-甲基咪唑基甲磺酸盐，BMIS）。这种添加剂可以与多碘化物强烈结合，抑制穿梭效应，从而在低电流下提高库仑效率并减少自放电。与其他常用的多碘化物结合添加剂（如季铵盐）相比，BMIS在电场作用下能够迁移到碘电极表面，形成添加剂聚集效应，显著提升碘的转化动力学和倍率性能。

图1. 水系锌碘电池设计思路

为了分析BMIS的工作机制，作者使用特制的石英电池进行了原位紫外-可见光光谱（UV-vis）测试。结果显示，使用2 M ZnSO₄电解液时，初始放电期间I₃^-信号增加，表明I₃^-显著溶解，浓度达到约0.008 M（图2a）。然而，添加BMIS后，整个放电过程中I₃^-的吸光度维持在约0.0002 M，证实BMIS抑制了I₃^-的溶解和穿梭效应（图2b）。同时原位拉曼光谱表明，与使用2 M ZnSO₄电解液时对比，添加BMIS后，I₃^-和I₅^-的峰强度显著减弱，表明BMIS与I₃^-和I₅^-成键以抑制穿梭效应（图2d）。

图2. BMIS抑制穿梭机理图

作者评估了高DOD下的Zn-I₂软包电池性能。软包电池由沉积锌的铜箔阳极、玻璃纤维隔膜和碘正极与BMIS基电解液组装而成。结果显示，软包电池在静置24小时后的自放电率仅为2.1%。在44.0%的高DOD下静置30天，容量衰减为11.7%，显著优于商业镍氢（NiMH）电池的每月20-30%自放电率（图3b）。在55.1%的高DOD下，软包电池200次循环后的容量保持率为96.9%，平均库伦效率为99.98%（图3c）。在82.0%的高DOD下，150次循环后的容量保持率为94.1%（图3d），根据优化后的理想模型计算软包电池的能量密度为97.34 Wh kg⁻¹。在68.3%的高DOD下，软包电池在15.9 mA cm⁻²电流密度下循环5000次后的容量保持率为88.3%，十倍于以往报道的数据（图3e和3f）。与商业水系电池系统（如锂水系电池、铅酸电池、镍氢和镍镉电池）相比，该新电池系统在能量密度、寿命、倍率性能和自放电方面具有显著优势（图3g）。

图3 软包电池性能图

该文章发表在国际顶级期刊Journal of the American Chemical Society 上。博士生吴瀚、郝俊南博士及博士生张少坚为本文（共同）第一作者。

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Aqueous Zinc–Iodine Pouch Cells with Long Cycling Life and Low Self-Discharge

Han Wu, Junnan Hao, Shaojian Zhang, Yunling Jiang, Yilong Zhu, Jiahao Liu, Kenneth Davey, and Shi-Zhang Qiao*

J. Am. Chem. Soc., 2024, DOI: 10.1021/jacs.4c03518

通讯作者简介

乔世璋院士，现任澳大利亚阿德莱德大学化工学院纳米技术首席教授，能源与催化材料中心（Centre for Materials in Energy and Catalysis）主任，主要从事新能源技术纳米材料领域的研究，包括电催化、电池、光催化等。作为通讯作者，在Nature、Nature Energy、Nature Nanotechnology、Nature Communications、Science Advances、Journal of American Chemical Society、Angewandte Chemie-International Edition、Advanced Materials 等国际顶级期刊发表学术论文超过530篇，引用超12万次，h指数为184。

乔世璋教授已获得多项重要奖励与荣誉，包括2023年澳大利亚研究理事会工业界桂冠学者（ARC Australian Industry Laureate Fellow），2021年南澳年度科学家奖、2017年澳大利亚研究理事会桂冠学者（ARC Australian Laureate Fellow）、2016年埃克森美孚奖、2013年美国化学学会能源与燃料部新兴研究者奖以及澳大利亚研究理事会杰出研究者奖（DORA）。

乔教授是澳大利亚科学院院士、国际化学工程师学会会士、澳大利亚皇家化学会会士、英国皇家化学会会士等。同时，他担任国际刊物英国皇家化学会杂志EES Catalysis的主编，也是科睿唯安（Clarivate Analytics）/汤姆森路透（Thomson Reuters）化学、材料科学和环境与生态三个领域的高被引科学家。

乔世璋教授主页：

https://www.adelaide.edu.au/directory/s.qiao#

https://www.x-mol.com/university/faculty/29675