近日，中國科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所儲能技術(shù)研究部研究員李先鋒團隊與催化基礎(chǔ)國家重點實驗室納米與界面催化研究中心研究員傅強團隊合作，在鹵素水系電池研究方面取得新進展，開發(fā)了一種基于溴和碘元素的多電子轉(zhuǎn)移正極，其比容量超過840安時/升（Ah/L），在全電池測試中正極側(cè)能量密度超過1200瓦時/升（Wh/L），為高能量密度水系電池的設(shè)計提供了新思路。

能量密度和安全性是衡量二次電池的重要標(biāo)準(zhǔn)。傳統(tǒng)的非水系鋰離子電池盡管具有高的能量密度，但其采用的有機電解液易燃，安全性問題難以保障。水系電池采用水作為溶劑，具有安全性。然而，受限于電解液溶解度低、電池電壓低等問題，水系電池的能量密度一般較低，即單位體積內(nèi)的電池儲存的電量較少。例如，傳統(tǒng)的水系電池如全釩液流電池和鋅溴液流電池的能量密度分別約為30瓦時/升和60瓦時/升，使其僅能用于大規(guī)模固定儲能。

大連化物所開發(fā)出基于碘元素的多電子轉(zhuǎn)移高能量密度水系電池

為了提高水系電池的能量密度，本工作中，李先鋒團隊使用碘離子（I-）和溴離子（Br-）混合鹵素溶液作為電解液，構(gòu)建了碘離子（I-）到碘單質(zhì)（I2）進而到碘酸根（IO3-）的多電子轉(zhuǎn)移反應(yīng)。充電過程中，碘離子在正極生成碘酸根，伴隨生成的氫離子從正極傳導(dǎo)到負(fù)極一側(cè)；放電過程中，氫離子從負(fù)極向正極傳導(dǎo)，碘酸根被還原為碘離子。團隊利用在充放電過程中形成的溴化物中間態(tài)，優(yōu)化了反應(yīng)路徑，有效提高了電化學(xué)反應(yīng)的活性和可逆性，所開發(fā)的多電子轉(zhuǎn)移正極比容量達 840安時/升。該正極與金屬鎘組成全電池，基于正極側(cè)的能量密度超過1200瓦時/升。

研究發(fā)現(xiàn)，在電解液中加入的溴離子可在電池充電過程中生成極性的溴化碘（IBr），有利于和水反應(yīng)形成碘酸根，從而提高了反應(yīng)速率并且降低了充電電壓；在放電過程中，碘酸根通過與溴離子反應(yīng)生成溴（Br2），并參與電化學(xué)反應(yīng)，實現(xiàn)碘酸根的可逆、快速放電，不僅提高了電池的放電電壓，同時提高了碘酸根的還原速率。優(yōu)化后的電解液，溴化物充當(dāng)了氧化還原的“橋梁”，大幅度提高了電池的效率和反應(yīng)速率。研究團隊通過原位光學(xué)顯微鏡、拉曼光譜等手段證明了上述反應(yīng)過程。

該研究有望拓寬高能量密度水系電池的研究途經(jīng)，為高能量密度水系電池的設(shè)計提供一種新思路。此外，該研究還拓展了水系電池的應(yīng)用范圍，有望應(yīng)用在動力電池等領(lǐng)域，為環(huán)境保護和能源結(jié)構(gòu)升級提供技術(shù)保障。

上述成果以“Reversible multielectron transfer I?/IO3? cathode enabled by a hetero-halogen electrolyte for high-energy-density aqueous batteries”為題，于近日發(fā)表在《自然-能源》（Nature Energy）上。該成果的共同第一作者為大連化物所副研究員謝聰鑫和博士研究生（已畢業(yè)）王超。上述工作得到國家自然科學(xué)基金等項目的支持。

文章鏈接：https://doi.org/10.1038/s41560-024-01515-9?