有机碘化学赋能锌碘电池：调控溶剂化结构，延长循环寿命

随着对高安全性、长循环寿命的先进电池的迫切需要，锌碘电池凭借其高理论容量、良好的环境兼容性，以及锌负极的低电极电位、低成本和高安全性等优势，成为备受关注的可充电电池之一。然而，碘的导电性差且反应动力学较慢，导致碘离子的转化过程不完全。使反应过程中生成多种可溶性碘化物中间体，这些中间体会穿过隔膜，迁移至锌负极表面，导致锌负极的腐蚀，造成电池严重的自放电现象，影响电池的稳定性和循环寿命。

通过调整电解液的组成和比例（例如高浓度盐和各种有机添加剂），可以调控离子（如Zn²⁺和Li⁺）的溶剂化结构，从而显著提高Zn²⁺或Li⁺的沉积反应动力学并抑制副反应。有鉴于此，山东大学张进涛教授（点击查看介绍）团队提出了一项创新性的解决方案：引入一种有机碘化盐——甲脒碘（CH₅N₂I），用于调节碘离子的溶剂化结构，从而提升锌-碘电池的反应动力学性能。带正电的甲脒离子（FA⁺）能够从水合碘离子中接受电子，减少溶剂化结构中水分子的电子累积。分子动力学（MD）模拟和密度泛函理论（DFT）模拟计算证明这种相互作用促成了FAIZn(H₂O)₄²⁺配位结构的形成，降低了脱溶剂化的能量屏障，并实现了碘的快速而完全的氧化还原转化。因此，可溶性多碘化物被抑制，改善了锌碘电池的氧化还原转化性能。结果表明，使用了甲脒碘的锌碘电池表现出非凡的循环稳定性（在10,000次循环后容量保持率为90.1%），库伦效率高达99.6%，对应的容量衰减率仅为每循环0.001%。这些结果证明了甲脒碘在提升锌碘电池性能方面的巨大潜力，为开发更加高效、稳定的锌碘电池提供了新的思路。通过有机碘调节溶剂化结构，这一创新策略为延长锌碘电池的使用寿命提供了坚实的基础。这项研究也为其他氧化还原转化电池的优化设计提供了宝贵的经验。

图1. 分子动力学（MD）模拟和密度泛函理论（DFT）模拟计算。

图2. 碘氧化还原反应性能和锌碘电池自放电评价。

图3. 水系可再充锌空气电池性能评价。

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Enhancing battery longevity by regulating the solvation chemistry of organic iodide

Wenshuo Shang, Qianwu Chen, Song Chen, Jintao Zhang

Angew. Chem. Int. Ed., 2024, DOI: 10.1002/anie.202415589

课题组介绍

张进涛教授，山东大学教授，博士生导师，国家高层次人才计划青年人才，化学与化工学院副院长，英国皇家化学会会士，国际先进材料协会会士。2012年于新加坡国立大学获得博士学位，之后在南洋理工大学和美国凯斯西储大学从事博士后研究，2015年到山东大学化学与化工学院工作至今。研究方向聚焦于电催化界面化学，致力于新型电极材料的设计与开发，探索二氧化碳还原、卤素转化等电化学界面反应机制，提升电化学转化器件的性能与稳定性。以第一作者或通讯作者在Nature Nanotech.、Nature Commun.、J. Am. Chem. Soc.、Angew. Chem. Int. Ed.、Adv. Mater.、CCS Chem.等期刊发表论文120余篇，被引用1.6万余次，h指数为68，主编英文专著1部。曾获山东省自然科学二等奖，连续入选山东省泰山学者工程和科睿唯安全球高被引科学家。现任电化学、Nano Research、eScience、Chinese Chemical Letters等期刊青年编委。

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