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Angew. Chem. :基于固体卤素间化合物固溴的稳定高能锌电池

尽管研究者已投入大量精力来探索溴基电池,但液态的溴单质(Br2)及其高度可溶的中间产物(Br3-)引起严重的“穿梭效应”,导致电池的自放电率升高及库仑效率降低。传统上,季铵盐如甲基乙基吗啉溴化物(MEMBr)和四丙基溴化铵(TPABr)等非活性络合剂常常被用来固定Br2和Br3-,但这些非活性络合剂既占据了电池的质量和体积却没有贡献容量。


近日,香港城市大学支春义教授团队报道了一种全活性固体卤间化合物一溴化碘(IBr)作为锌电池的正极材料来解决上述问题,其中反应过程产生的Br0 被碘 (I) 固定,彻底抑制交叉扩散Br2/Br3- 物种在充放电过程中的产生。该Zn||IBr 电池可提供较高的能量密度,高于其他用非活性络合剂固溴物质作正极材料的锌电池。



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该工作首先探究了Zn||IBr电池的氧化还原反应电极电位,结果显示其在1.66/1.63 V和1.32/1.28 V出现的两个氧化还原峰,分别位于Zn||I2与Zn||Br2的氧化还原峰之间。前者归属于IBr ↔ Br-转换反应,后者是由I0 ↔ I-转换反应贡献。此外,与其他非活性络合剂(如MEMBr和TPABr)相比,使用活性碘络合剂的Zn||IBr电池表现出更高的比容量和能量密度 (基于相同的正极物质负载量下)。这种增强归因于活性碘将Br0固定为固体IBr,有效地消除了交叉扩散的Br2/Br3-物种,同时也贡献了容量。

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此外,该Zn||IBr电池表现出较高的倍率性能,高于目前大部分报道的金属||卤素电池。IBr高效的固溴能力,使电池能够进行6000次完整充放电循环,且保持82.7%的容量及其库伦效率接近95.4%。作者研制的Zn||IBr电池在比容量、能量密度、循环次数、电压、容量保持率等性能与大多数已报道的锌离子电池相当,甚至优于大多数锌离子电池。

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最后,利用原位拉曼、离位XPS及离位UV-Vis等表征手段结合DFT计算,揭示了IBr正极的转换反应机理为:2 IBr + 4e- ↔ I2Br- + Br- + 2e-, I2Br- + Br- + 2e- ↔ 2Br- + 2I-。同时表明该反应全程没有产生可交叉扩散的Br2/Br3- 物种,IBr高效的固溴能力是Zn||IBr电池获得高能量密度及长循环性能的保证。该项工作为实现活性固体卤素间化学用于高能量电化学储能装置提供了新的途径。

文信息

Solid Interhalogen Compounds with Effective Br0 Fixing for Stable High-energy Zinc Batteries

Shengmei Chen, Yiran Ying, Shengnan Wang, Longtao Ma, Haitao Huang, Xiaoqi Wang, Xu Jin, Shengchi Bai, Prof. Chunyi Zhi


Angewandte Chemie International Edition

DOI: 10.1002/anie.202301467




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