具有TiO2同质结的多孔异质碳纳米纤维用于Zn-I2电池

研究简介

Zn-I2电池因其高理论能量密度、成本效益和更高的安全性，已成为下一代储能系统的有希望的候选材料。然而，诸如多碘化物穿梭效应和阴极-电解质界面处缓慢的氧化还原动力学等关键挑战阻碍了其实际应用。在本研究中，我们设计了一种基于多级多孔异质碳纳米纤维的碘主体材料，该材料结合了具有同质结结构的TiO2活性位点，旨在同时固定和催化转化多碘化物。通过综合密度泛函理论计算和全面的实验表征，我们发现协同异质/同质结结构显著提高了电荷转移效率和催化活性，有效地减缓了多碘化物扩散，同时促进了氧化还原动力学。优化的能带结构赋予正极190.5mAh·g−1的高比容量和优异的循环稳定性，在高碘负载量（8mg·cm−2）下循环5万次后仍能保持98.9%的容量。此外，该正极的结构灵活性使其能够开发高性能柔性Zn-I2电池，为可穿戴储能设备开辟新的途径。

图文导读

图示1. a HTO@C主体的制备工艺；b 同质结TiO2界面示意图及相应的电子密度差；c 使用不同I2正极主体的电化学动力学/行为示意图

图1. 结构和形态表征：a 制备好的样品的 XRD；b HTO@C 的SEM、c TEM 和 d HRTEM；以及 e 样品的拉曼和 f 孔径分布。

图2.a对照I2和制备好的正极在2mol/LZnSO4溶液中浸泡5小时的数码照片，b不同基质在碘溶液中浸泡后的紫外可见光谱，cHTO@C样品I3d的高分辨率XPS光谱，dI2/HTO@C的元素映射（O、I、Ti），e制备好的正极和I2在N2气氛下的TGA曲线。

图3. aEIS曲线，b循环性能和c1A·g−1下不同电池的比容量-电压曲线比较；d4A·g−1下不同电池的长期循环，e我们工作中的能量密度、循环次数、特定电流密度下的比容量以及容量保持率与文献中报道的其他碘电池的比较

图4. a1mV·s−1时不同电池的CV曲线和b对应的Tafel曲线，c0.2至1.0mV·s−1不同扫描速率下I2/HTO@C正极的CV曲线，d不同电池对应的电池极化随扫描速率变化的关系，e不同电池的b值，f绘制的HTO电池自放电曲线

图5. a为不同浸入式正极的电解液在充电/放电过程中的原位UV-V光谱，b为I3−–ATO、I3−–RTO和I3−–HTO（或I3−吸附在ATO、RTO和HTO模型上）之间的电荷密度差异，c为DFT计算的碘物种（I−、I2和I3−）在ATO、RTO和HTO模型上吸附的结合能。

图6. a柔性Zn-I2电池示意图，b柔性Zn-I2电池在不同状态下为LED板供电的图，c不同弯曲角度下Zn-I2软包电池的循环性能，d集成自供电纱线型Zn-I2电池的装置示意图，e纱线型Zn-I2电池为LED板供电的图。

研究结论

在本研究中利用界面带工程开发了一种新型碘主体材料(HTO@C)，该材料具有协同异质/同质结结构，专为锌碘电池的高效正极而设计。基于这种独特的协同结构，HTO@C主体材料有效抑制了可溶性多碘化物的形成，并增强了界面反应动力学。采用I2/HTO@C正极制备的锌碘电池具有卓越的倍率性能和超长循环稳定性，循环次数超过50,000次，容量保持率高达98.9%。此外，I2/HTO@C正极表现出优异的机械柔韧性和电化学性能，使其适用于多种电池结构，包括软包电池和纱线电池。总而言之，我们的研究不仅提出了一种通过界面带工程制备具有增强氧化还原动力学的碘主体正极的可行方法，而且还为高机械柔韧性电池的发展开辟了一条新途径。