我所開發出基于碘元素的多電子轉移高能量密度水系電池

近日，我所儲能技術研究部（DNL17）李先鋒研究員團隊與催化基礎國家重點實驗室納米與界面催化研究中心（502組群）傅強研究員團隊合作，在鹵素水系電池研究方面取得新進展，開發了一種基于溴和碘元素的多電子轉移正極，其比容量超過840 安時/升（Ah/L），在全電池測試中正極側能量密度超過1200瓦時/升（Wh/L），為高能量密度水系電池的設計提供了新思路。

能量密度和安全性是衡量二次電池的重要標準。傳統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，即單位體積內的電池儲存的電量較少。例如，傳統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，使其僅能用于大規模固定儲能。

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，構建了碘離子（I-）到碘單質（I2）進而到碘酸根（IO3-）的多電子轉移反應。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到負極一側；放電過程中，氫離子從負極向正極傳導，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，優化了反應路徑，有效提高了電化學反應的活性和可逆性，所開發的多電子轉移正極比容量達 840安時/升。該正極與金屬鎘組成全電池，基于正極側的能量密度超過1200瓦時/升。

研究發現，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），有利于和水反應形成碘酸根，從而提高了反應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生成溴（Br2），并參與電化學反應，實現碘酸根的可逆、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。優化后的電解液，溴化物充當了氧化還原的“橋梁”，大幅度提高了電池的效率和反應速率。研究團隊通過原位光學顯微鏡、拉曼光譜等手段證明了上述反應過程。

該研究有望拓寬高能量密度水系電池的研究途徑，為高能量密度水系電池的設計提供一種新思路。此外，該研究還拓展了水系電池的應用范圍，有望應用在動力電池等領域，為環境保護和能源結構升級提供技術保障。

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，于近日發表在《自然-能源》（Nature Energy）上。該成果的共同第一作者為我所DNL17謝聰鑫副研究員和博士研究生（已畢業）王超。上述工作得到國家自然科學基金等項目的支持。（文/圖 謝聰鑫、王超）

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