乔世璋/林展AM: 新纪录！50000次循环的无穿梭Zn-I2电池！

水系锌碘（Zn-I₂）电池因其高能量/功率密度、安全性和成本效益而被认为是一种很有前途的储能系统。然而，多碘化物穿梭导致严重的活性物质损失和Zn腐蚀，从而限制了Zn-I₂电池的循环寿命。

在此，澳大利亚阿德莱德大学乔世璋教授、广东工业大学林展教授等人受淀粉和碘之间显色反应的启发提出了一种结构限域策略，通过使用廉价的天然生物聚合物淀粉主体来抑制Zn-I₂电池中的多碘化物穿梭。由于其独特的双螺旋结构，淀粉通过键合效应将各种碘物质强烈限制在螺旋链内，这已通过DFT模拟得到证实。

此外，一系列吸附实验证明了淀粉对各种碘物质（碘化物、三碘化物和碘）的综合利用性。原位拉曼展示了对Zn-I₂电池中以I₃^–/I₅^–为中间体的可逆I^–/I₂转换机制的新认识，其中，I₅^–是淀粉/聚碘化物复合物中的主要物质，与淀粉双螺旋结构的相互作用也比I₃^–强。因此，在充电过程中臭名昭著的多碘化物穿梭溶解在淀粉基Zn-I₂电池中得到有效抑制，这已通过原位紫外-可见光谱证实。

图1. 淀粉抑制多碘化物穿梭

因此，淀粉基Zn-I₂电池具有高比容量（0.2 A g^-1时为182.5 mAh g^-1）和约100% 的优异库伦效率，表现出优异的电池可逆性和穿梭抑制。此外，该电池在4 A g^-1 下10000次循环和10 A g^-1下50000次循环后的容量衰减可忽略不计，实现了创纪录的寿命。此外，该研究进一步揭示了多碘化物与锌负极之间的直接反应会加剧锌的腐蚀和副产物的形成，从而导致活性锌的快速消耗，这也是传统Zn-I₂电池循环寿命有限的根本原因。

XPS和AES深度剖面表征证明，得益于淀粉对多碘化物穿梭的显著抑制，由多碘化物引发的Zn腐蚀可以得到明显抑制且很少形成负极副产物。因此，这项工作不仅提供了对Zn-I₂电池失效机制的系统理解，还提出了一种有效的多碘化物捕获结构限域策略，从而实现高可逆和长寿命的 Zn-I₂电池。

图2. 抑制锌负极的多碘化物腐蚀

Polyiodide Confinement by Starch Enables Shuttle-Free Zn-Iodine Batteries, Advanced Materials 2022. DOI: 10.1002/adma.202201716

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