研究内容

锌碘电池是最有趣的电池类型之一，具有高能量密度和低毒性。然而，碘的低固有电导率，加上聚碘在水性电解质中的高溶解度，限制了具有高稳定性的高面积容量锌碘电池的开发，尤其是在低电流密度下。

西安交通大学丁书江和郗凯提出了一种疏水性聚碘离子液体作为锌离子电池正极，通过提供4个数量级的高本征电导率和显著较低的溶解度，成功地激活了碘氧化还原过程，从而抑制了双镀层锌-碘电池中的聚碘穿梭。通过对聚碘离子液体化学结构的分子工程，其电子电导率可达3.4×10-3 S cm-1，库仑效率高达98.2%。锌碘电池的表面积容量可达到5.04 mAh cm-2，并在3.12 mAh cm-2下稳定运行超过990小时。此外，基于聚碘离子液体阴极的激光划线设计的柔性双镀层型微电池在单电池和4×4集成电池中也表现出稳定的循环，可在极性切换模式下高稳定性运行。相关工作以“Highly Electrically Conductive Polyiodide Ionic Liquid Cathode for High-Capacity Dual-Plating Zinc-Iodine Batteries”为题发表在国际著名期刊Journal of the American Chemical Society上。

研究要点

要点1. 作者介绍了聚碘离子液体(PIL)作为锌碘电池的正极材料。PIL的电荷转移电阻比纯碘和固体复合物阴极低近5个数量级，电子电导率高4个数量级。PIL正极在充电/放电过程中没有显示出成核过电位，并且具有98.2%的高库仑效率，这反过来又显示出比传统碘阴极高一倍的容量。

要点2. 在双镀层锌离子电池中，PIL正极显示出高达5 mAh cm-2的高面积容量，其可以在1 mA cm-2下以3.12 mAh cm-2稳定运行990小时以上，在20 mA cm-2中以1.2 mAh cm-2稳定运行4000多次，不会出现明显的容量衰减。

要点3. 作者还制造了一种柔性锌碘微电池，该电池可以稳定运行超过1200次循环，不会发生容量衰减，具有500 μAh cm-2的高面容量，以及强大的极性切换特性。

研究图文

图1.（a）传统碘正极、（b）固体聚碘正极和（c）聚碘离子液体正极的电荷传输过程示意图。

图2.（a）合成的碘基与不同链结构的季铵阳离子配位的光学照片。（b）电荷转移电阻、电子电导率和熔点对应于季铵阳离子。（c）季铵阳离子的HOMO和LUMO能量。（d）不同链结构的季铵阳离子的平均库仑效率与化学硬度之间的关系。

图3. 三种典型碘正极材料的电化学性能。

图4. Pt线在（a）纯碘化物电解质、（b）[N2221]+电解质和（c）[N2222]+电解质中的充电/放电过程的原位光学显微镜。（d）纯碘化物电解质、（e）[N2221]+电解质和（f）[N2222]+电解质的原位拉曼光谱和相应的充电/放电曲线。

图5. 不同电解质在超微电极上的电化学。

图6. N2221基电池的电化学性能。

文献详情

Highly Electrically Conductive Polyiodide Ionic Liquid Cathode for High-Capacity Dual-Plating Zinc-Iodine Batteries

Hongyang Zhao, Dandan Yin, Yanyang Qin, Xiaofeng Cui, Jie Feng, Yanan Zhang, Lanya Zhao, Na Gao, Manying Cui, Chunhui Xiao, Guodong Feng, Yaqiong Su, Kai Xi,* Shujiang Ding*

J. Am. Chem. Soc.

DOI: https://doi.org/10.1021/jacs.3c12695

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