碘与锰氧化还原动力学协同增强的高性能可充电锌-碘-锰混合电池研究

为解决锌-碘电池（Zn-I2 ）中碘物种导电性差、多碘化物穿梭效应严重及锰基材料（MnOx ）反应动力学缓慢等问题，研究人员设计了一种原位生长于碳布（CC）上的水钠锰矿（KMnO）纳米片阵列自支撑电极（CC@KMnO），构建了锌-碘-锰（Zn-I2 -Mn）混合电池。该电池通过碘与锰的氧化还原协同效应，实现了2.02 mA h cm?2 的高面积容量和3600次循环的优异稳定性，为电网级储能提供了新思路。

　　

随着风能、太阳能等间歇性可再生能源的快速发展，电网级储能技术面临巨大需求。尽管锂离子电池占据市场主导地位，但其资源稀缺性和安全隐患限制了大规模应用。水系锌离子电池（ZIBs）因安全性高、环境友好等优势成为研究热点，其中锌-碘（Zn-I<sub>2I
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）和低成本备受关注。然而，碘的导电性差、多碘化物（I3
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）穿梭效应及锰基材料（MnOx

）的溶解问题严重制约电池性能。</sub>

为解决上述问题，浙江师范大学的研究团队在《Journal of Energy Chemistry》发表研究，设计了一种基于碳布（CC）原位生长水钠锰矿（KMnO）纳米片阵列的自支撑电极（CC@KMnO），构建了锌-碘-锰（Zn-I₂
-Mn）混合电池。通过理论计算与原位表征，揭示了KMnO增强碘物种吸附、降低碘还原反应吉布斯自由能的关键作用，同时ZnI₂
电解液促进了锰物种的溶解-再沉积，实现了碘与锰氧化还原动力学的协同增强。

关键技术方法
研究采用湿化学法在碳布上原位合成KMnO纳米片阵列，结合扫描电镜（SEM）和透射电镜（TEM）表征材料形貌；通过电化学测试和原位光谱技术分析碘/锰氧化还原反应路径；利用密度泛函理论（DFT）计算阐明了KMnO对碘物种的催化机制。

研究结果

1. 材料设计与表征：SEM显示KMnO纳米片呈三维交叉结构，TEM证实其超薄特性（图1b）。X射线衍射（XRD）验证了水钠锰矿晶型，X射线光电子能谱（XPS）表明Mn以+4价为主。
2. 电化学性能：Zn-I₂
   -Mn电池在2 mA cm^?2
   下实现2.02 mA h cm^?2
   的面积容量，3600次循环后容量保持率达91%。
3. 机理分析：原位拉曼光谱证实I^?
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   的快速转化，DFT计算显示KMnO使碘还原能垒降低0.38 eV。电解液中的Zn²⁺
   通过静电作用抑制多碘化物穿梭。

结论与意义
该研究通过设计CC@KMnO电极和优化电解液，首次揭示了碘与锰氧化还原的协同机制：KMnO加速碘转化并抑制穿梭效应，而ZnI₂
电解液提升锰反应可逆性。这种“双向增强”策略为高能量密度、长寿命混合电池的开发提供了新范式，推动电网级储能技术发展。