抗腐蚀共价碘噻二唑催化剂提高水系Zn─S电池库仑效率

研究简介

水系Zn-S电池(AZSB)在大规模储能方面前景广阔，但由于Zn─S氧化还原动力学缓慢且Zn负极腐蚀严重，导致库仑效率(CE)较低，限制了其循环寿命和实际应用。尽管最先进的碘基氧化还原介质可以加速正极动力学，但它们通常会导致自由I3−物质的形成，从而加剧Zn的腐蚀。本文，我们报道了一种共价碘噻二唑氧化还原介质(CIM)，它作为一种防腐高效催化剂，可在AZSB中实现高CE。CIM中共价锚定的碘有效抑制了自由I3−的形成并减轻了Zn的腐蚀。更重要的是，从C5═N键到C5─N键（C5：噻二唑环上5号位碳原子）的动态电子重构，通过由Zn─I─C5键促进的σ配位电子途径，促进了Zn–S氧化还原动力学。因此，基于CIM的纽扣电池在8C下经过700次循环后，平均CE达到99.56%，容量达到344mAhg-1。基于CIM的软包电池在0.8C下经过120次循环后，容量高达1398mAhg-1。这项研究提出了一种实用的碘基催化剂设计策略，有望使下一代水系金属硫电池拥有更强的耐久性和性能。

图文导读

图1.a)通过控制碘化合成CIM。b)CIM和TUI粉末的XRD图谱。c,d)CIM粉末的同步加速器IRM和拉曼光谱，显示出放大的电子重组效应。标准2-AT光谱来自SpectraBase数据库（ID：4PgA7hilt80）。e)TUI粉末的拉曼光谱。f,g)CIM粉末的1H和13CSSNMR光谱。h)CIM和TUI粉末的TGA曲线。

图2. a)长期Zn沉积/剥离和b)ZZ-I2、ZZ-TUI和ZZ-CIM的塔菲尔图。c)采用2MZnSO4、ZZ-I2、ZZ-TUI和ZZ-CIM电解液的锌负极的SEM图。d)四种电解液在10小时内的颜色变化。e)采用ZZ-I2、ZZ-TUI和ZZ-CIM的I3−介导OER的原位GC-MS结果。f)采用ZZ-I2、ZZ-TUI和ZZ-CIM的原位UV-Vis光谱。g)采用ZZ-TUI和ZZ-CIM的原位拉曼。h)使用ZZ-CIM对锌负极上的I3d进行XPS。

图3.a)ZS-CIM的原位同步加速器IRM分析，其中b-e)为等高线图。f)ZS-CIM的WT-XAFS等高线图。g)ZS-CIM和ZS-TUI中Zn2p区域的XPS。h)充电硫正极的NEXAFS光谱。i)ZS-CIM和ZS-TUI完全充电后的XPS。j)CIM的协同机制，包括防腐蚀和增强正极动力学。

图4.a)ZS-I2、ZS-TUI和ZS-CIM在0.5mVs−1下的CV曲线；b–d)ZS-I2、ZS-TUI和ZS-CIM的原位DRT曲线。e)ZS-I2、ZS-TUI和ZS-CIM在8C下的长期循环；f)ZS-CIM在2.8mgcm−2和3.5mgcm−2等不同S负载值下的循环性能测试。g)ZS-I2、ZS-TUI和ZS-CIM在0.8C下的软包电池测试。h)目视观察ZS-CIM和ZS-TUI中的气体析出情况。i–j)报道的AZSB和ZS-CIM在纽扣电池和软包电池中的电化学性能比较。

研究结论

本工作报道了一种具有稳定共价C5─I键和动态电子重构效应的CIM催化剂。CIM对高CEAZSB的协同作用机制可概括如下：1）稳定的共价C5─I键牢固地锚定碘物种，从而消除I3−介导的锌负极腐蚀；2）动态电子重构效应通过Zn─I─C5配位途径促进电荷向Zn–S氧化还原中间体转移，从而增强正极动力学。因此，基于CIM的AZSB实现了高达99.56%的CE，经过700次循环后容量仍高达344mAhg−1。采用CIM的软包电池在120次循环后容量高达1398mAhg−1。这种合理设计的CIM为开发防腐催化剂提供了一种实用且可扩展的策略，为推进水性金属硫电池技术的CE和长期稳定性提供了关键见解。