阴阳离子协同添加剂解决了锌碘电池中的“性能三角”问题

　　

哈尔滨理工大学黄章教授领导的研究团队近期在锌碘水系电池的研究方面取得了重大进展。他们提出了一种基于四甲基碘化铵（TMAI）的电解液添加剂策略，该策略通过阴离子（I?）和阳离子（TMA?）的协同作用^，同时^解决了锌碘电池的三大核心难题：碘反应动力学缓慢、多碘穿梭效应以及锌枝晶生长。这项研究不仅使对称锌电池实现了超过5500小时的超长循环稳定性，而且在全电池中也展现出优异的性能，在5万次循环后容量几乎没有衰减，为设计高性能、长寿命的水系锌碘电池提供了一种新思路。该论文以开放获取研究论文的形式发表于 中国化学会旗舰期刊《CCS Chemistry》 。

背景信息：

随着全球能源结构向可再生能源转型，开发低成本、高安全性和易于规模化的储能系统已成为迫切需求。水系锌电池因其资源丰富、成本低廉和安全性高而备受关注。其中，锌碘电池凭借其高理论容量（211 mAh g?1）和丰富的碘储量 ^， 被认为是一种极具发展前景的储能系统。然而，其实际应用仍面临诸多挑战：碘正极导电性差、反应动力学缓慢，且易形成可溶性多碘化物（如I3?和I??），导致活性物质损失和容量衰减；锌负极易发生枝晶生长和析氢副反应，严重影响循环寿命；多碘化物穿梭效应进一步加剧正负极的副反应，导致电池效率降低和严重的自放电现象。传统的改进策略大多集中于正极改性、隔膜优化或单一界面调控，无法同时解决上述问题。因此，开发一种能够协同调控正负极界面化学、改善反应动力学并抑制副反应的电解液添加剂，已成为推动锌碘电池实际应用的关键。

本文要点：

亮点一： 核心策略——“协同”而非“单打独斗”

传统的添加剂设计往往专注于解决单一问题，例如改善动力学或抑制穿梭效应，这很容易导致意想不到的后果。本研究的核心创新在于利用化合物TMAI解离出的阴离子（I?）。阴离子与阳离子（TMA?）共同^发挥关键作用，分别在正负极界面产生协同效应。这种“一石二鸟”甚至“一石三鸟”的设计理念突破了单一组分功能的局限性，通过离子间固有的功能互补性，实现了复杂电池系统的多目标协同调控。

亮点二： 克服正极挑战——构建新型“固-液-固”碘转化路径

为解决正极碘反应缓慢和活性物质损失的问题，研究团队揭示了一种独特的TMAI诱导的固-液-固转化机制。I?作为催化剂，加速固态I?转化为可溶性I??，显著提升反应动力学。同时，TMA?作为捕获剂，快速与I??结合形成不溶性TMA-I?固体复合物，将其牢固地锚定在正极区域。该过程既保证了碘的快速反应，又从根本上阻断了多碘化物的溶解和穿梭路径，从而实现了高容量和高库仑效率的平衡。

亮点三： 稳定锌阳极——构建“静电屏蔽+界面调控”双重保护体系

在锌阳极侧，TMAI中的两种离子也发挥着协同保护作用。TMA⁺ 倾向于吸附在锌沉积的初始凸起处，形成带正电荷的“静电屏蔽层”，引导后续的Zn²⁺ 均匀沉积到凹陷处，从电场角度抑制枝晶成核。同时，I^- 可以特异性地吸附在锌表面，降低锌沉积成核势垒，促进致密、平整的锌沉积层的生长。二者共同在阳极界面构建稳定的双重保护层，显著提高锌沉积/剥离的可逆性。

亮点四： 性能突破——实现超高稳定性和超长循环寿命

得益于上述协同机制，电池的整体性能实现了突破。在严苛的电化学测试中，采用TMAI电解液的电池展现出全面的优越性：不仅极化电压低至90 mV，能量效率高达92.8%，而且循环稳定性也达到了新的高度。Zn||Zn对称电池的循环寿命超过5500小时，远超基准电解液（120小时）。在5 A g?1的高倍率下循环50000次后 ^， Zn||I?全电池仍保持近100%的容量保持率，平均库仑效率高达99.95%。此外，该电池的自放电率显著降低，并且在简化的“无电极”配置中也表现出优异的稳定循环性能，证明了该策略强大的实际应用潜力。

总结与展望：

本研究通过一种简单高效的阴阳离子协同电解质添加剂策略，成功克服了锌碘电池在动力学、穿梭效应和锌负极稳定性方面长期难以实现的性能挑战，打破了长期存在的“性能三角”难题。这项工作不仅报道了一种高性能电池体系，更重要的是，它为电解质设计提供了一种通用的新方法：通过多功能离子组分的协同组合，实现对复杂电化学界面的精确控制。这一理念有望推广到其他金属卤化物电池乃至更广泛的储能系统的设计中，从而推动下一代安全长寿命储能技术的发展。