AFM：基于还原氧化石墨烯和盐包水电解液的先进锌碘电池

一、引言

水系可充电锌碘电池由于其高安全性、低成本和良好的电化学性能，在便携式电子领域受到越来越多的关注。然而，碘的绝缘性质和可溶性三碘化物的无限制穿梭效应严重限制了电池的寿命和库仑效率(CE)。

最近的研究揭示了浓缩氯化锌(ZnCl₂) 盐包水（WIS）电解质抑制I₃^–离子扩散和增加CE的潜力。然而，超高浓度往往会牺牲电解质的粘度和离子导电性，对电池性能造成严重损害。因此，研究电解质的最佳浓度以实现高CE和电池的其它性能(容量密度、倍率响应等)之间的平衡具有重要意义。

二、正文部分

成果简介

近日，香港城市大学洪果团队报道了基于水热还原氧化石墨烯(rGO)和高浓度氯化锌盐包水（WIS）电解质的高性能锌碘储能体系。rGO的3D微孔结构和出色的导电性使其成为碘的优秀宿主，而盐包水电解质有效抑制了三碘化物的穿梭效应，提高了系统的CE。因此，在连续充电/放电过程中实现了25.33mg cm^–2的超高I₂质量负载(负载比为71.69 wt %)。该电池在2 mA cm^-2下提供6.5 mAh cm^-2的高容量，CE提高到95%，在80 mA cm^-2下具有1 mAh cm^-2的容量，具有突出的倍率性能。在50 mA cm^-2下循环2000次后，容量保持率为2 mAh cm^-2，实现了稳定的长期循环性能。该研究以题目为“Advanced Zinc–Iodine Batteries with Ultrahigh Capacity and Superior Rate Performance Based on Reduced Graphene Oxide and Water-in-Salt Electrolyte”的论文发表在材料领域国际顶级期刊《Advanced Functional Materials》。

图文导读

【图1】还原氧化石墨烯（rGO）的表征。rGO内部微结构的SEM图像。插图显示了rGO的放大SEM图像。b)天然石墨、GO和rGO180-6的XRD和c)拉曼光谱。d) GO和rGO180-6的FTIR光谱。拉曼数据和XRD数据基于光谱的最大强度进行归一化。

【图2】rGO对a)碘和b) I₃^–离子吸附能力的紫外光谱表征。插图显示了有或没有rGO的I₂和I₃^–溶液的光学图片。浸泡在各种电解质中的c) rGO- I₃^–复合材料和d)纯I₂的紫外光谱特征。浸泡在各种电解质中的e) rGO- I₃^–复合材料和f)纯I₂的光学图像。

【图3】a，b)具有不同浓度ZnCl₂的Zn//rGO–I₂电池的GCD曲线；c)不同阶段电解质的紫外光谱特征；d)具有不同浓度KI的Zn//rGO–I₂电池的GCD曲线。

【图4】a)在2 mA cm^-2下Zn//rGO–I₂的GCD曲线；b) 2 mA cm^-2下Zn//rGO–I₂的容量和CE；c)在不同电流密度下Zn//rGO–I₂的容量和CE；d)对于长周期，在50 mA cm^-2下Zn//rGO–I₂的容量和CE；e)在20 mA cm^-2下具有凝胶电解质的Zn//rGO–I₂的容量和CE，插图显示了ZnCl₂水凝胶和ZnCl₂/KI水凝胶。

【图5】a)充电至1.6 V和放电至0.6 V后rGO电极提取液的紫外光谱。b)充电后rGO电极的拉曼光谱和c) SEM-EDS图像。d)含有和不含有额外KI的电极提取溶液的紫外光谱。e)具有不同I₂浓度的标准溶液的紫外光谱曲线。

总结和展望

综上所述，作者使用还原的氧化石墨烯作为I₂宿主和ZnCl₂/KI WIS电解质制备了高性能的水系锌碘电池。作者开发了一种在快速充放电过程中将I₂负载在rGO电极上的高效电镀方法，避免了I₂的热不稳定性造成的活性物质损失。rGO的3D多孔结构和出色的导电性实现了I₂的大负载(25.33mg cm^–2)和快速动力学，在2 mA cm^–2的电流密度下提供了6.5 mAh cm^–2的高可逆容量。即使在80 mA cm^–2的高电流密度下，仍保持1 mAh cm^–2的容量。更重要的是，由于rGO的强吸附效应，I₂和I₃^–可以牢牢地限制在电极内，有效地减少I活性物种的损失。作者还获得了最佳的ZnCl₂/KI WIS电解质配方，以阻止I₂从rGO电极中溶解并阻止I₃^–离子的扩散。因此，实现了显著抑制的穿梭效应和高达95 %的显著改善的CE。此外，在50mA cm^–2下循环2000次后，获得了几乎100%容量保持率的优异循环稳定性。

参考文献

Yu Ji, Junpeng Xie,  Zhaoxi Shen,  Yu Liu,  Zhaorui Wen,  Lei Luo,  Guo Hong*. Advanced Zinc–Iodine Batteries with Ultrahigh Capacity and Superior Rate Performance Based on Reduced Graphene Oxide and Water-in-Salt Electrolyte. Adv. Funct. Mater. 2023, 2210043.

DOI: 10.1002/adfm.202210043

https://doi.org/10.1002/adfm.202210043