Nature 子刊丨可逆多电子转移I−/ IO3−由异卤素使能的阴极高能量密度电
作者：Congxin Xie1,4, Chao Wang2,3,4, Yue Xu1,3, Tianyu Li 1 , Qiang Fu 2 & Xianfeng Li
单位：中国科学院大连化学物理研究所储能研究室
01 摘要
对高能量密度、高安全性电池的需求日益增长正在推动新的氧化还原化学和设备的设计。这里我们展示了一个水电池，使用高度含I−的浓异卤电解质和Br -,结果I−的多电子转移过程/ IO3−． 中间溴化物电化学过程中产生的物种IBr和Br2增强反应动力学和减轻氧化之间的潜在差距和减少。当使用6m I−电解质达到30 M以上的电子即I−/ IO3阴极显示高比容量超过840啊，电解液-1。Cd/Cd2+为阳极的电池表现出较高的性能能量密度超过1200 Wh的电解液−1。即使在异常高的水平电流密度为120 mA cm−2时，能量效率为72%。我们的工作证明了具有高能量密度的安全水性电池是否有可能为电网规模的能源存储提供一种发展选择甚至是电动汽车。
02 图表简介
图1 | I−1的多电子转移过程/ IO3−不管有没有Br−的添加． a、充电(步骤(1)-(3))-放电(步骤1)示意图(4) -(6))在Br−存在下的反应． 步骤(4)-(5)中的“X”表示金额的IO3−减小，值在0到1之间，需要分析在特定情况下。b、带a的组合电池示意图多电子转移阴极(灰色面)和镉金属作为阳极(黄色)。阳极处的电解质流动，而阳极处的电解质流动阴极留在电极腔内。c，阴极的能量密度达到超过1200 Wh的电解液−1(比容量大于840ah)−1)优于其他阴极或阳极。所有数据均从电解质或固体阴极的输出能量和体积(能量密度计算细节见方法)。d、充放电图安装6m I−的电池在教堂里。
图2 |卤素电解质的多电子转移表征IBA。a，不同摩尔比下I2(s)和Br2(l)混合溶液的拉曼光谱。拉曼振动信号分配到IBr (214 cm−1)，Br3−(168 cm−1)和Br5−(278厘米−1)。Br2n+1的形成−得到式(1)- (3);方程(1):I2 + Br2 + 2IBr;(水解)式(2):Br2 + H2O + HBrO + HBr;方程(3):HBr + nBr2 + HBr2n+1b, HIO3和HBr混合溶液的拉曼光谱不同的摩尔比。Br3的信号−和Br2在1:1和1:2的溶液中表明碘-很容易氧化Br−． 在较高的HBr比例下(HIO3:HBr = 1:3)，观察到IBr信号。c,d，原位拉曼光谱(100-1,000 cm−1，左)和相应的充放电图(右)各步骤产物的IBA (c)和非原位XRD谱(d)c对应的拉曼曲线用彩色点标记充放电的阴谋。c中的垂直虚线表示振动模式拉曼信号。每100秒记录一次拉曼信号。XRD在20 ~ 60°的2θ范围内得到了光谱。扫描模式(θ)，衍射角)，波长为1.5418 Å的Cu Kα辐射。电解液c和d的组成:1 M HI +1 M HBr +1 M H2SO4 +1 M CdSO
图3 |在高压下IBA的充放电过程现场观察光学显微镜a-g，电极的光学显微镜图像不同充放电阶段的表面形态:原始(a);步骤(1)(b),步骤(2)(c),步骤(3)(d),步骤(4)(e),步骤(5)(f)和步骤(6)(g)。h、相应的充放电图。电解液成分:1m HI + 1m HBr + 1m H2SO4 + 1m CdSO4。
图4 |以IBA为介质的单流水电池性能阴极液和Cd/Cd2+、硅钨酸或V2+/V3+作为阳极。a、电解质及其相应充放电的照片不同步骤的情节。电解液组成:1m HI + 1m HBr + 1mH2SO4 + 1 M CdSO4。b, 20-160 mA cm−2电流密度下的电池效率截止电压分别为2.1 V和0.1 V。电解液组成:0.5 M CdI2 +1m HBr + 3m H2SO4。c、所装配电池的充放电图不同浓度的I−我是IBA的教友。d,e，循环性能电池带2m I−(1 M CdI2 + 2 M HBr + 3 M H2SO4) (d)和3 M I−电解质(1米奈+ 1米CdI2 + 2 M哈佛商业评论+ 3 M硫酸)(e)马40厘米−2。常数电荷极限容量为8 M或12 M，电子转移为2 M或3 M I−，放电截止电压为0.1 V。f,骑自行车IBA-SWO电池在80ma cm−2下的性能。天主教和阳极液为1 M HI + 1 M HBr + 0.5 M SWO。效率的波动数据是由于水迁移和所需的周期性电解质混合恢复。充电极限的恒定容量为~4 M放电截止电压为0.1 V。g h,组装后的充放电曲线(g)和循环性能(h)以V2+/V3+为阳极液，80ma cm−2。电解液成分:哈佛商业评论+ 1 M嗨+ 1米1.5米VSO4硫酸+ 0.4米+ 0.2米V2 (SO4) 3。的波动性能下降是由于电解液的迁移和氧化引起的V2+的空运，需要定期恢复。恒容量对于充电极限为5m的电子转移，并以放电电压截止为0.1 V。
03 参考文献
Liu Y , Qin Z , Yang X ,et al.High-Voltage Manganese Oxide Cathode with Two-Electron Transfer Enabled by a Phosphate Proton Reservoir for Aqueous Zinc Batteries[J]. 2022.
