双电极界面动力学调节器的设计实现长寿命Ah级Zn-I2电池

研究简介

Zn-I2电池在大规模应用方面前景广阔，但其实际应用受到碘转化率不可控、多碘化物穿梭以及锌(Zn)沉积形貌难以预测等因素的制约。此外，其界面反应动力学的不匹配也值得关注。本文，我们引入了一种甜菜碱(Bet)添加剂作为双电极界面调节剂，以协同解决正极和负极界面面临的挑战。具体而言，Bet的亲水基团(-COO)优先吸附在锌负极表面，调节Zn2+的溶剂化和电沉积动力学，从而实现高度均匀的锌沉积，使Zn-Zn对称电池在1mAcm−2电流密度下的寿命延长至7,000小时以上。此外，Bet的亲脂基团(-N-R3)与多碘化物相互作用，抑制其迁移并加速碘的氧化还原动力学，从而减轻正极副反应。因此，Zn-I2全电池表现出优异的循环寿命，在10mAcm−2的电流密度下，经过15,500次循环后，容量保持率极低，仅为每次循环0.007‰。此外，容量约为1.15Ah的Ah级软包电池在600次循环后仍能保持92.1%的容量保持率，彰显了该方法的可扩展性。这种经济高效的界面调控策略为实现长循环Zn-I2电池及其实际应用提供了新的视角。

图文导读

图1.不同电解液的表征和选择。（a）双功能改性机制示意图；（b）不同浓度bet下碘溶解的光学图像和（c）相应的紫外可见光谱；（d）不同电解质的Zn-I2全电池库仑效率、电压效率和能量效率比较。

图2. 正极界面改性表征及机理。(a)Bet与I−、I2和的结合能；(b)黑色固体复合物和Bet的XRD图谱；(c)采用2-05-07电解液的电池的原位XRD图谱和(d)原位DRT曲线；(e)不同充放电状态下正极的N1s光谱；(f)采用2-05电解液和(g)采用2-05-07电解液的电池的原位UV-vis光谱。

图3. 增强的正极界面动力学。（a）加速氧化还原动力学图；（b）计算的I-I键键长和键序；（c）不同电解质中I-I键的解离能；（d）2-05-07电解质和（e）2-05电解质电池在不同扫描速率下的CV曲线和相应的拟合b值；（f）不同电解质中碘转化的活化能垒（插图显示不同温度下的Rct值）。

图4.电解液结构和负极界面的表征。(a)计算出的H2O和Bet分子的HOMO能量；(b)不同分子在Zn表面的吸附能；(c)MD模拟期间的快照和(d)2-05-07电解质相应的径向分布函数和配位数分布函数；(e)来自Tafel极化图的拟合线性部分；(f)具有不同电解质的Zn-Cu半电池的过电位；(g)不同溶液中强HBs、弱HBs和非HBs的比例；(h)在过电位为−150mV时Zn-Zn对称电池中Zn电极的计时电流(CA)。

图5.对称和非对称电池的性能评估。(a)不同电解质的Zn-Cu半电池的库仑效率和(b)相应的充电放电曲线；(c)使用不同电解质的Zn-Zn对称电池在1mAcm−2和(d)5mAcm−2下的循环性能；(e)将这项工作与其他一些报告的Zn-Zn对称电池进行比较；在(f)2-05电解质和(g)2-05-07电解质中循环的负极的CLSM图和相应的粗糙度。

图6. Zn-I2全电池的电化学性能及实际应用。(a)2mAcm−2不同电解液的充放电曲线；(b)不同电解液电池的倍率性能；(c)2mAcm−2电池的循环性能；(d)10mAcm−2电池的长循环性能；(e)使用2-05-07电解液的Zn-I2软包电池在5mAcm−2下的循环性能；(f)Zn-I2软包电池的倍率性能；(g)软包电池示意图及光学照片和驾驶机器狗；(h)使用2-05-07电解液的Ah级电池在5mAcm−2下的长循环性能；(i)本工作中的软包电池的电化学性能与其他已报道的电池的比较。

研究结论

为了同时应对碘正极和锌负极的挑战，我们提出了一种有效的锌-碘电池界面动力学调节剂。Bet的两亲性质使其能够在两个电极上发生靶向相互作用，从而确保电化学性能的协同增强。Bet的亲脂基团(–N–R3)与正极相互作用形成界面层(ZnxBety[I3]2x)，有效抑制了向阳极表面的交叉。这种相互作用还加速了碘的氧化还原动力学，从而提高了倍率性能。同时，Bet中的亲水基团–COO吸附到锌负极表面，改变了Zn2+的溶剂化结构，并提高了Zn2+电沉积的成核过电位。这种调节促进了细晶核的形成，从而抑制了枝晶锌的生长。此外，Bet降低了H2O活性，最大限度地减少了析氢反应(HER)副反应和副产物的积累。因此，Zn-Zn对称电池在1mAcm−2至1mAhcm−2的电流密度范围内表现出超过7,000小时的超长寿命。对于Zn-I2全电池，在15,500次循环后，其衰减率达到每循环0.007‰的超低水平。值得注意的是，容量约为1.15Ah的Ah级Zn-I2电池表现出色，在600次循环后仍能保持92.1%的容量。这些发现凸显了这种双电极界面动力学调节剂在实现高容量、长寿命Zn-I2电池方面的有效性，为下一代固定式储能应用提供了一条充满希望的途径。