樊慧庆/马龙涛NML：铁单原子催化剂助力水系锌电池5万次循环!

由于锌负极、碘正极和水系电解质的低成本和本征安全性，可充水系锌-碘电池（ZnǀI₂）一直是有希望的储能技术。然而，一方面，电化学惰性宿主的低比例利用会导致可溶性多碘化物的严重穿梭、碘的利用不足和反应动力学迟缓。另一方面，使用高质量的极性电催化剂会牺牲电极材料的质量和体积，并牺牲设备的能量密度。

图1. 基于铁单原子催化剂的宿主构建及表征

西北工业大学樊慧庆、马龙涛等提出了一种”封闭-催化”策略，通过将铁单原子催化剂（SACs）嵌入到有序的介孔导电框架中作为催化碘的宿主，从而使高碘负载的ZnǀI₂电池具有快速反应动力学和超长的循环稳定性。

通过这种设计，多孔结构和相互连接的导电通道可以容纳大量的碘，封装多碘化物并保证其有效利用，而Fe SACs进一步有效地催化碘/多碘化物的转化。

图2. 动力学研究

因此，基于到宿主框架的高催化和碘/多碘化物吸附能力的协同贡献，ZnǀI₂电池实现了15A g^-1的超高倍率能力，比容量达139.6 mAh g^-1，并且在76.72 wt%的碘负载条件下具有超长的循环稳定性，经过5万次循环后保留了80.5%的初始容量。

大幅提高的电化学性能源于物理化学约束的调节和可逆的I^–/I₂和I₂/I⁺对的能量屏障的降低，以及多碘化物中间物的转化。总之，这项工作为缩短ZnǀI₂电池的研究和应用之间的差距开辟了一条道路。

图3 ZnǀI₂电池性能

Aqueous Zinc Batteries with Ultra-Fast Redox Kinetics and High Iodine Utilization Enabled by Iron Single Atom Catalysts. Nano-Micro Letters 2023. DOI: 10.1007/s40820-023-01093-7

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