Angew. Chem. ：有机pH缓冲添加剂实现无枝晶和无聚碘化合物穿梭的高效锌-碘电池

近年来, 锌-碘电池在储能领域中受到广泛的关注。然而，开发高效的锌-碘离子电池的性能需要同时克服锌负极腐蚀和枝晶的形成，以及聚碘化合物在正负极之间的穿梭。尽管在最近的研究中对于锌金属负极的保护和抑制碘的穿梭都取得了很大的进展，但绝大部分的研究都只着重于锌负极或碘正极，目前还缺乏同时改善正极和负极的方法。

近日，澳大利亚阿德莱德大学郭再萍教授和毛剑峰博士团队报道了在电解液中通过引入有机pH缓冲分子添加剂从而同时达到对负极和正极的保护。作者认为有机添加剂中的含氮基团作为氢键的受体或供体不但能够调节电解液的pH值，抑制析氢反应，同时能够抑制聚碘化合物的穿梭。

为验证这个设想, 作者选用含氮官能团的“咪唑”和“吡啶”作为有机pH缓冲添加剂。结果证明当产生足够的H⁺时，咪唑和吡啶会与H⁺结合形成咪唑阳离子/吡啶阳离子。当OH^–明显增加时，咪唑阳离子/吡啶阳离子会与OH^–形成咪唑/吡啶。通过一系列非原位和原位表征及DFT理论模拟计算，作者证明了咪唑和吡啶对pH的动态调节以及析氢和锌枝晶生长的抑制。

同时DFT理论模拟计算及原位紫外和原位拉曼证实， I₃^–在pyridine- ZnSO₄电解质中的高生成能垒抑制了其形成，同时pyridine- ZnSO₄电解质中的低转换能垒保证了充放电过程中I₂/I^–的快速转换。

在含氮的有机pH缓冲剂对锌阳极的保护作用下，锌/锌对称电池, 在2 mA cm^-2, 2 mAh cm^-2的条件下，表现出较好的长循环稳定性 (3,200小时)，以及在1 mA cm^-2,1 mAh cm^-2下，锌电镀/剥离的库仑效率高达99.6%。作者还同时证明了当电流密度为10 A g^-1时，锌-碘全电池具有大于25000次循环的稳定性和105.5 mAh g^-1的高比容量。

综上所述，作者证明了，有机pH缓冲添加剂可用于:1)设计可逆、稳定的长循环锌-碘电池; 2)使锌均匀沉积; 3)抑制聚碘化合物穿梭。

论文信息

Organic pH Buffer for Dendrite-Free and Shuttle-Free Zn-I₂ Batteries

Yanqiu Lyu, Dr. Jodie A. Yuwono, Dr. Pengtang Wang, Yanyan Wang, Dr. Fuhua Yang, Dr. Sailin Liu, Dr. Shilin Zhang, Prof. Baofeng Wang, Prof. Kenneth Davey, Dr. Jianfeng Mao, Prof. Zaiping Guo

Angewandte Chemie International Edition

DOI: 10.1002/anie.202303011