特別說明：本文由米測技術中心原創撰寫，旨在分享相關科研知識。因學識有限，難免有所疏漏和錯誤，請讀者批判性閱讀，也懇請大方之家批評指正。不斷增長的能源需求和氣候變化使得探索可持續能源替代品，特別是可再生能源成為必要。隨著可再生能源的廣泛部署，電池對于電網規模的電能存儲和運輸應用至關重要。傳統的非水鋰離子電池（LIB）具有高能量密度，但其非水碳酸鹽電解質高度易燃。相比之下，水性電池有可能自然地解決電池安全問題。然而，它們的能量密度較低（<200?Wh?lcatholyte-1），受限于其狹窄的電位窗口（~2?V vs 5?V非水）和低比容量（~100?mAh?gcathode-1或170?Ah?Icathode e-1)，使得這種電池僅適用于大規模固定儲能，例如液流電池。基于此，大連化物所李先鋒等人展示了一種采用含有I?和Br的高濃度異鹵素電解質的水系電池，從而產生I?/IO3?的多電子轉移過程。電化學過程中產生的中間溴化物IBr和Br2增強了反應動力學并減輕了氧化和還原之間的電位差。當使用6?M I?電解質實現超過30?M電子轉移時，I?/IO3-陰極表現出超過840?Ah?lcatholyte-1的高比容量。以Cd/Cd2+作為陽極的電池表現出超過1,200?Wh?lcatholyte-1的高能量密度。即使在120mAcm?2的極高電流密度下，也能獲得 72% 的能量效率。該工作表明了實現具有高能量密度的安全水性電池的可行性，為電網規模的儲能甚至電動汽車提供了開發選擇。作者對于僅含有 I? (IA) 的電解質，進行循環伏安法來研究酸性介質中的電化學行為，發現了1.0?V下的I?氧化為 I3?的反應以及?2.0?V 下的I2氧化為 HIO，后者迅速歧化為I2和HIO3。而對于IBA電解質，循環伏安圖清楚地顯示了六個不同的過程。此外，作者對比了IA和IBA與Cd2+/Cd陽極耦合的充放電性能，表明IBA組裝電池的電壓效率（VE）比IA高19%。在 80mAcm?2 時，IBA 在容量和效率方面優于 IA。圖 添加或不添加Br?的I?/IO3?的多電子轉移過程為了驗證IBA多電子轉移機制的可能性，作者從異位表征開始，通過將I2(s)與Br2(l)以不同摩爾比混合來模擬步IBr的形成。拉曼和紫外光譜證實了充電過程IBr的形成。接著，作者通過原位拉曼光譜和XRD跟蹤IBA的多電子轉移化學，證實了非原位觀察結果，對六個步驟中每個步驟的產物進行 XRD 分析，證實了關鍵化合物的存在。作者組裝了一個以IBA作為陰極電解液、Cd/Cd2+作為陽極的液流電池(IBA-C)，證明了IBA的可行性。與IA電池的能量密度相比，在80?mA?cm?2時，IBA由于具有更高的放電電壓和比容量（184 vs 106?Ah lcatholyte-1），能量密度高出兩倍。此外，IBA-C的能源效率達到75%。結果表明IBA是一種非常有前途的高能量密度電池設計的陰極電解液。電池循環測試表明IBA具有高度穩定性。在40mAcm?2的電流密度下，具有2M I?的IBA-C連續運行超300個循環，能量效率78%，比容量為210Ah?lcatholyte-1。通過將IBA中的I?濃度增加到3?M，完成了90多個循環，能量效率為74%，比容量為315?Ah?lcatholyte-1。當電流密度增加到80mAcm?2時，循環穩定性下降到100個循環。當使用6?M I?電解液時，電解液保持~26?M的電子轉移數，使其能夠穩定運行超過20個循環，并且能量密度達到超過850?Wh?lcatholyte-1。IBA-SWO和IBA-V電池在80mAcm?2的電流密度下穩定運行超過1000次循環，表現出非常令人印象深刻的循環穩定性。圖 使用IBA作為陰極電解液和Cd/Cd2+、硅鎢酸或V2+/V3+作為陽極的單液流水系電池的性能IBA-C電池表現出超過840?Ah?lcatholyte-1的高比容量，這遠高于報道的水性氧化還原對的劑量。此外，其能量密度超過1,200Wh??lcatholyte-1，遠高于目前報道的水系電池。最重要的是，利用IO3-/I-實現多電子轉移意味著每千瓦時所需的I-數量明顯低于單電子轉移反應的I-/I2。根據計算，該設計將成本降低至約 24 美 kWhcatholyte-1 或約 35 美元 kAh catholyte-1，與 LIB 中的 LiFePO4 陰極的成本相當。Xie, C., Wang, C., Xu, Y. et al. Reversible multielectron transfer I?/IO3? cathode enabled by a hetero-halogen electrolyte for high-energy-density aqueous batteries. Nat Energy (2024).https://doi.org/10.1038/s41560-024-01515-9
