综述：约束条件下碘反应拓扑结构控制：极端环境锌-碘电池的机理设计原则

《Materials Today》：Controlling iodine reaction topology under Constraints: Mechanistic design principles for Extreme-Environment Zinc–Iodine batteries

　　

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  提出了一种适用于极端条件下锌碘电池（ZIBs）的统一反应–溶剂化–传输框架。
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  碘反应拓扑结构将热、负载、准固态和机械失效关联起来。
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  水的活度被确定为碘氧化还原路径的隐藏选择因子。
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  维度限域将多碘化物重新引导至局部碘转化。
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  为实际应用中的极端环境锌碘电池提出了器件级评价指标。

引言

电化学储能系统越来越多地被要求在传统实验室受控条件之外运行。新兴应用——包括可穿戴电子器件、分布式传感器、软机器人和电网级储能——要求电池能够在宽温度波动、高活性物质负载、贫电解质条件以及反复机械变形下保持稳定性能。这些要求特别强调兼具固有安全性、低成本、环境兼容性和运行鲁棒性的水系电池化学体系 [1], [2], [3], [4], [5], [6], [7], [8], [9], [10], [11], [12], [13]。

在正在研究的各类水系体系中，锌碘电池（ZIBs）因碘的高理论容量、锌的天然丰度和低氧化还原电位，以及水系电解质的良好安全特性而受到越来越多的关注。与传统基于嵌入的阴极相比，碘电极主要依赖转化化学，从而避免了与多价离子嵌入相关的许多结构退化过程。因此，锌碘电池表现出若干吸引人的特性，包括高体积容量、低材料成本、柔性器件兼容性和简化的制造过程。在过去十年中，因此在提高碘利用率、抑制多碘化物穿梭效应、加速反应动力学和稳定锌沉积方面取得了实质性进展（图1）[14], [15], [16], [17], [18], [19], [20], [21], [22], [23], [24], [25]。

尽管取得了上述进展，在实际条件下，锌碘电池的实际运行仍受到严重制约。高温会加速多碘化物扩散、碘溶解和锌腐蚀，而低温则通过电解质冻结或粘度增加来抑制Zn²⁺脱溶剂化和离子传输。高碘负载引入了长程传输限制和中间体积累，而准固态和柔性系统则面临离子迁移受限、界面接触不均以及机械诱导的传输不均匀性问题。尽管这些退化行为看似高度多样，但它们往往汇聚为相似的失效模式，包括穿梭效应引起的自放电、枝晶生长、碘转化不完全、界面副反应和容量快速衰减 [26], [27], [28], [29], [30], [31], [32], [33]。

在本综述中，我们提出，极端条件下锌碘电池的多种失效行为可以通过三个相互关联的调控变量来理解。第一个是碘反应拓扑结构，它反映了碘氧化还原是通过直接的"固–固"路径还是通过可溶性多碘化物介导的中间体进行。第二个是溶剂化结构和水的活度，它们调控碘的形态、Zn²⁺脱溶剂化、氢键组织和界面副反应。第三个是传输维度和限域效应，它们决定了反应中间体是保持在催化位点或限域位点附近，还是演变为长程体相扩散过程。与以前主要根据外部工作条件对锌碘电池进行分类的综述不同，本综述以这些条件为切入点，识别出决定碘可逆性和锌界面稳定性的底层反应–溶剂化–传输描述符。

各节摘要

极端条件对锌碘电池的机理影响

正如引言中所强调的，当代各种广泛的应用要求锌碘电池在一系列极端环境中可靠运行。先前的综述主要从一般性角度考察锌碘电池，集中于能量密度低、穿梭效应、锌枝晶形成和动力学缓慢等普遍存在的挑战 [34], [35], [36]。然而，对于各种极端环境对其反应

极端条件锌碘电池的设计原则

基于第2节中概述的机理转变，本综述的其余部分围绕三个决定极端条件锌碘电池的耦合描述符展开：碘反应拓扑结构、溶剂化结构/水的活度以及传输维度/限域效应。第一个是碘转化的反应拓扑结构，即阴极化学是通过更直接、空间受限的路径进行，还是通过放大穿梭效应的可溶性多碘化物介导路线进行

极端条件锌碘电池的机理导向诊断

对于在极端条件下运行的锌碘电池，表征在其作为机理判别框架而非描述性工具箱时最有价值。跨越高温/低温、高碘负载、准固态电解质和机械变形，表面上多样化的失效汇聚于三个调控描述符：碘反应拓扑结构、电解质溶剂化/水的活度以及传输和限域的维度。因此，诊断方法

结论与展望

对能够在恶劣和动态条件下运行的电化学储能系统日益增长的需求加速了对锌碘电池的兴趣。然而，尽管在阴极设计、电解质工程和界面调控方面取得了快速进展，锌碘电池的实际部署仍受到现实运行环境中碘转化不稳定性和锌界面化学不稳定性的制约。高低温、超高碘负载、准固态运行，

CRediT作者贡献声明

江宗友：撰写–审阅与编辑。杨兴：撰写–审阅与编辑，撰写–原稿撰写，项目管理。张靖：撰写–审阅与编辑，撰写–原稿撰写，项目管理。杨坚生：形式分析。何金海：调查研究。王训涛：资源。王佳丽：方法论。吴佳瑶：形式分析。孙梓旭：撰写–审阅与编辑，撰写–原稿撰写，指导监督，项目管理，资金获取。刘化坤：

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能影响本文所报告工作的竞争性经济利益或个人关系。

致谢

本工作得到了贵州省研究生教育创新计划项目（项目编号：2025YJSKYJJ050）的支持。

江宗友|杨兴|张靖|杨坚生|何金海|王训涛|王佳丽|吴佳瑶|孙梓旭|刘化坤