通过调控固液转化反应获得长期稳定的水系静态锌碘电池

水系电池相比于非水系电池具有低成本和高安全性，在储能、尤其是大型储能（grid scale）领域越来越受到人们的青睐。尽管如此，大多数水系电池受低容量和较差的循环寿命限制，在储能市场上应用并不广泛。目前在储能领域应用的电池一般分为两类：静态电池（如铅酸和锂离子电池）和液流电池（如全钒电池）。2014年， 美国能源部西北太平洋国家实验室（Pacific Northwest National Lab）的研究员李彬博士领导其团队首次提出了水系锌碘液流电池的概念，电池的能量密度是传统全钒电池的5倍以上。为了保证电解液的可流动性，阴极电解液中的碘离子（I^-）在充电的过程中加以控制，只变成可溶于水的I₃^-，避免过度充电生成微溶的碘单质（I₂）沉积在电极上降低电池的性能。因此，锌碘液流电池阴极的碘利用率只有2/3，而且为了避免自放电，电池中间必需设置一张阳离子交换膜，这些都为进一步降低成本提供了发展空间。

最近，李彬博士（通讯作者）与刘俊博士（通讯作者）及其团队受到目前研究比较广泛的锂硫电池的启发，提出了一种静态水系锌碘电池，在电池中没有采用离子交换膜避免自放电，而且在充电的过程中保证最终的产物是碘单质。由于在充放电的过程中碘具有可溶性，阴极虽借鉴锂硫电池使用多孔活性炭吸附碘（I₂）以及其中间产物（I₃^-），但要提高其容量及稳定性是远远不够的。作者通过DFT模拟计算提出，要保证固态碘及其中间产物在充放电的过程中一直留在电极上、不溶于溶剂，关键是有效调控碘的固液转化反应。简单来说，碘以及其中间产物被碳电极吸附和溶剂溶解存在竞争关系。这一理论在后续的实验中得到证实，从而有效提高了电池的性能。研究发现，（1）碘基水系电池比其非水系电池更具有优势，电池在充电状态下停止48小时，几乎没有容量损失；（2）调节水系电解液的量与电极上碘的含量比可以提高碘的利用率和电池的容量；（3）电极孔径的减小会加强碘及其中间产物在电极表面的吸附，提高电池的库仑比；（4）电极（碳）表面的含氧官能团通过Zn-O键可以增强I₃^-的吸附。通过优化，这种静态水系无膜锌碘电池的容量可以达到174.4 mAh•g^-1 @ 1C，库仑比接近100%，并且循环3000圈后容量损失不到10%。

图1. 锌碘电池的示意图。

图2.（a）锌碘电池的自放电行为研究；（b-c）锌碘电池在不同充放电速率、电解质与碘含量比（E/I）情况下的循环性能。

该论文作者为：Huilin Pan, Bin Li, Donghai Mei, Zimin Nie, Yuyan Shao, Guosheng Li, Xiaohong S Li, Kee Sung Han, Karl T. Mueller, Vincent L. Sprenkle and Jun Liu

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Controlling Solid-Liquid Conversion Reactions for a Highly Reversible Aqueous Zinc-Iodine Battery

ACS Energy Lett., 2017, DOI: 10.1021/acsenergylett.7b00851