邱健蓄电池"具有链-链协同作用的拓扑纠缠粘结剂网络用于高倍率长寿命锌碘电池"

水系锌碘(Zn)电池是一种极具前景的储能技术，但其发展受到碘转化动力学迟缓、多碘化物穿梭效应显著以及阳极寄生腐蚀问题的制约。粘合剂作为正极不可或缺的组分，对Zn₂电池的电化学性能具有决定性影响。本文报道了一种由明胶/海藻酸钠(GNSA)构成的双链拓扑缠结粘合剂体系，可用于实现高倍率长循环寿命的Zn实验与计算结果表明，该交联粘结剂呈现出链-链协同机制，可增强对碘及多碘化合物的化学亲和力，并降低碘还原反应的吉布斯自由能。由此，碘转化动力学显著加速，同时多碘穿梭效应与阳极腐蚀现象得到有效抑制。基于此，所组装的锌₂电池在0.2 A g电流密度下可实现188.0 mAh g₂的高可逆容量，在20 A g条件下仍保持116.8 mAh g₂在保持30,000次循环长期耐久性的同时%%该材料在高达12.8 mg cm的读载条件下%%仍展现出卓越性能及宽温域适应性。本研究为锌基先进多性向功能粘结剂的设计提供了一种引人入胜的策略⁻¹锌⁻¹ and 116.8 mAh g⁻¹ at 20 A g⁻¹, alongside long-term durability for 30,000 cycles. Furthermore, it also demonstrates remarkable performance at a high I₂ loading up to 12.8 mg cm⁻² and wide-temperature range adaptability. This work provides a captivating strategy for the design of advanced multifunctional binders for ZnI₂ batteries.

图形摘要

电池。GNSA粘合剂展示了一种链-链协同机制，该机制能有效增强对碘物种的亲和力，降低反应能垒，减轻穿梭效应与腐蚀效应，从而提升循环性能。I batteries. The GNSA binder demonstrates a chain-chain synergistic mechanism for effectively enhancing affinity for iodine species, reducing reaction energy barrier, mitigating the shuttle and corrosion effect, thus improving the cycling performance.₂

引言

电化学储能系统对于便携式电子设备、电动汽车及电网级储能具有关键作用[1][2][3][4][5][6][7]。在众多候选体系中，水系锌离子电池因其高安全性、低成本和环境友好特性而成为极具前景的储能技术[8][9][10][11][12][13][14]。锌负极具有显著优势，包括820 mAh g^-1的高理论容量⁻¹），具有优异的体积容量（5855 mAh cm⁻³输出： ），以及与水性电解液的优异相容性[15][16][17][18][19][20]。在正极侧，碘（I₂）因其高比容量（211 mAh g⁻¹）、适宜氧化还原电位（1.29相对于Zn/Zn）及天然丰度（海水中碘含量为0.06 ppm）[21][22]而备受关注。此外，相较于锰氧化物、钒氧化物等嵌入型材料[23][24]，碘正极展现出更优异的倍率性能。尽管具备这些优势，锌²⁺锌碘电池的发展受到诸多关键挑战的制约，例如本征电导率低、活性碘流失、碘氧化还原动力学迟滞以及严重的多碘化物穿梭效应[25][26][27]。可溶性多碘化物的不利溶解及穿梭现象会进一步加剧锌腐蚀与枝晶生长，导致库仑效率（CE）降低和容量快速衰减[28][29]。I₂ batteries is hampered by critical challenges, such as low intrinsic conductivity, active iodine loss, sluggish iodine redox kinetics, and severe polyiodide shuttle [25], [26], [27]. The undesirable dissolution and shuttling of soluble polyiodides can further exacerbate zinc corrosion and dendrite growth, leading to low Coulombic efficiency (CE) and rapid capacity degradation [28], [29].
为解决上述问题，研究者已提出多种策略，包括正极设计[30][31][32][33]、隔膜改性[34][35][36][37]、负极保护[38][39][40][41]以及电解质工程[42][43][44][45][46][47][48][49]。这些方法通常通过定制孔隙结构和特定官能团来固定碘物种或排斥多碘离子，从而抑制穿梭效应并提升电化学稳定性。然而，其实际应用常受限于复杂的制备工艺与高昂成本。粘结剂作为正极不可或缺的组分，对锌传统粘结剂如聚偏二氟乙烯（PVDF）存在界面阻抗高、循环稳定性差的问题，这归因于其疏水性不足、粘附力弱且机械强度不足[53]。更重要的是，PVDF与碘物种之间极弱的化学相互作用导致其无法有效锚定碘/聚碘化物并抑制穿梭效应[54]。因此，开发兼具优异亲水性、强机械性能以及对碘和聚碘化物具有高化学亲和力的多功能粘结剂，对于锌₂然而，锌电池中粘结剂的关键作用尚未获得充分关注。此外，现有单一组分粘结剂在平衡这些多样化需求方面存在固有局限性，从而制约了其在锌电池中的应用潜力。锌₂ batteries, yet has not received sufficient attention. Furthermore, current binders with single component are intrinsically limited in balancing these diverse requirements, thus limiting their potential in ZnI₂ batteries.
本文开发了一种由明胶和海藻酸钠(GNSA)构成的双链拓扑纠缠粘结剂，用于锌电池。石墨氮化碳（GN）与海藻酸钠（SA）分子链的协同作用增强了其对碘及多碘化物的化学吸附能力，并降低了碘还原反应（IRR）的吉布斯自由能，从而共同加速了碘转化动力学过程，有效抑制了多碘化物穿梭效应和阳极腐蚀。此外，与单一组分相比，GNSA粘结剂展现出更高的机械强度和亲水性，能显著缓解电极溶胀现象并降低电极/电解质界面阻抗。最终，锌......₂电池性能显著提升，实现了188.0 mAh g^-1的高可逆容量电流密度下可实现188.0 mAh g₂的高可逆容量，在20 A g⁻¹条件下仍保持116.8 mAh g⁻¹。此外，该电池在12.8 mg cm^-2的高I⁻¹载量下仍展现出优异性能⁻¹并在宽广的温度范围内显著优于目前大多数最先进的粘合剂。₂ loading of 12.8 mg cm⁻² and within wide temperature range, substantially surpassing most state-of-the-art binders.