准固态阴极添加剂在水基Zn-I2电池中实现了高度可逆的四电子I?/I0/I+转化

《Advanced Materials》：Quasi-Solid Cathode Additive Enables Highly Reversible Four-Electron I?/I0/I+ Conversion in Aqueous Zn-I2 Batteries

锌-碘电池中BMICl-CNTs准固态添加剂对4eZIBs性能的优化研究。通过π-π堆积作用形成稳定复合物，抑制多碘化物 shuttle效应及I+水解，实现0.5C下418.9 mA h/g高容量，600次循环容量保持率93.4%，软包电池7.1 mA h/cm2面容量下150次循环保持率95.8%。

　　近年来，随着全球对可持续能源存储技术的需求日益增长，研究人员不断探索更高效、更环保的电池系统。在众多选项中，水性锌碘电池（Zn-I? batteries）因其安全性高、成本低、环境友好以及能量密度和功率密度表现优异而受到广泛关注。特别是四电子（4e）碘转化体系的水性锌碘电池（4eZIBs），其通过碘离子（I?）在电极表面的氧化还原反应，实现了比传统双电子（2e）体系更高的理论容量。然而，这一技术在实际应用中仍面临诸多挑战，例如在碘离子向碘单质（I?）以及碘单质向碘正离子（I?）的转化过程中，存在严重的多碘化物穿梭效应、缓慢的I?/I?转化动力学以及碘正离子的水解问题。这些问题不仅影响电池的循环性能，还导致容量衰减和安全性隐患。为了解决这些关键障碍，研究者提出了一种创新的电极添加剂策略，通过将1-丁基-3-甲基咪唑氯化物（BMICl）与碳纳米管（CNTs）结合，并通过共研磨形成一种准固态的添加剂，从而显著提升电池性能。

这项研究的核心在于设计一种能够同时改善4eZIBs中两个关键电化学过程的电极添加剂。首先，BMICl与CNTs之间的π-π堆积相互作用促进了准固态添加剂的形成，使其在电极内部具有良好的结构稳定性。这种添加剂能够有效抑制多碘化物的穿梭效应，因为它能够与多碘化物结合，形成不溶性的复合物，从而减少其在电解液中的扩散。其次，该添加剂还能在I?/I?转化过程中提供稳定的氯离子（Cl?）来源，这有助于提高I?的转化效率，并防止其与水反应引发的水解问题。通过这些机制，4eZIBs的电化学性能得到了显著提升，包括更高的比容量和更长的循环寿命。

在实验中，研究人员首先通过调整BMICl与碘（I?）的摩尔比，确定了最佳的添加剂比例。结果显示，当BMICl与I?的摩尔比为2:1时，电极表现出最佳的电化学性能，包括较高的放电容量和较好的循环稳定性。这表明，适量的BMICl不仅能够促进I?的转化，还能有效抑制不必要的副反应，从而提高电池的整体效率。进一步的测试表明，这种准固态添加剂在高面积负载条件下仍能保持良好的性能，这使得其在实际应用中具有更强的适应性。

为了验证BMICl与CNTs之间的相互作用，研究团队采用了多种表征技术，包括拉曼光谱、傅里叶变换红外光谱（FTIR）以及接触角测量等。这些技术的应用揭示了BMICl在电极结构中的均匀分布及其与CNTs之间的物理和化学结合。通过拉曼光谱，研究人员观察到BMICl-CNTs复合物的特征峰与原始BMICl和CNTs相比发生了显著变化，这表明两者之间形成了稳定的相互作用。此外，FTIR光谱也显示了BMICl在与碘化物反应后的结构变化，进一步支持了其在抑制多碘化物穿梭效应方面的有效性。接触角测试的结果则表明，BMICl的加入显著提升了电极的亲水性，从而改善了电解液的渗透性，使得电极材料能够更均匀地参与电化学反应。

在电化学性能方面，研究人员通过循环伏安法（CV）和恒电流充放电测试（GCD）评估了BMICl电极与NaCl电极在4eZIBs中的表现。结果显示，BMICl电极在I?/I?和I?/I?两个反应步骤中均表现出更优异的电化学活性。特别是，在I?/I?转化过程中，BMICl电极的放电容量显著高于NaCl电极，这说明BMICl在促进I?转化方面发挥了重要作用。此外，BMICl电极在高电流密度下的表现也优于NaCl电极，这表明其在提升电池的功率密度方面具有明显优势。

在循环稳定性方面，BMICl电极展现出令人印象深刻的结果。在1C的电流密度下，BMICl电极的电池在600次循环后仍能保持93.4%的初始容量，而NaCl电极则在130次循环后出现容量骤降。这表明，BMICl电极能够有效抑制I?的水解和多碘化物的穿梭效应，从而延长电池的使用寿命。此外，当将电池从硬币型电池扩展到软包电池时，BMICl电极仍然表现出良好的性能。在高面积负载条件下，软包电池在150次循环后仍能保持95.8%的容量，显示出其在实际应用中的可行性。

除了电化学性能，研究团队还关注了电池的机械稳定性和安全性。通过实验测试，研究人员发现，即使在物理损坏的情况下，BMICl电极的电池仍能保持较低的电压下降，这表明其具有良好的结构稳定性和安全性。此外，BMICl电极的电池在长时间运行后仍能稳定地输出电能，这一特性对于实际应用中需要高能量密度和高安全性的场景尤为重要。

这项研究的意义在于，它为水性电池技术的发展提供了一种新的解决方案。通过将BMICl与CNTs结合，形成一种准固态的电极添加剂，研究人员不仅克服了4eZIBs在两个关键电化学步骤中的性能瓶颈，还为未来高性能、高安全性的水性电池设计提供了重要的理论依据和技术路径。这一成果有望推动水性电池在大规模储能、电动汽车以及可再生能源存储等领域的应用，为实现更加环保和可持续的能源系统做出贡献。