海洋科学与工程学院史晓东副教授在Nano Energy发表锌碘电池研究论文

近日，海洋科学与工程学院海洋清洁能源创新团队史晓东副教授在纳米能源领域Top期刊Nano Energy发表题为“Plant derived multifunctional binders for shuttle-free zinc-iodine batteries”的研究论文。海南大学研究生祝嘉昊同学为论文第一作者，史晓东副教授和田新龙教授为论文共同通讯作者。

锌碘电池（ZIBs）因其固有的成本效益、更高的操作安全性和可观的理论容量而成为下一代电池的有力候选者。然而，载碘正极（UAC@I2）活性碘溶解和多碘化物穿梭效应等挑战阻碍了ZIBs的进一步发展。通常来说，ZIBs充放电过程中产生的I−离子易与活性碘反应，生成多碘化物I3−和I5−，导致自发的活性碘溶解。随着多碘化物浓度增加，I3−/I5−将从正极穿梭到负极，从而导致容量急剧衰减，甚至锌负极的电化学腐蚀。粘结剂作为UAC@I2重要的基本组成部分，通过设计新型功能性粘结剂，利用粘结剂材料中丰富的官能团对碘物种的强化学吸附作用，从而抑制活性碘的溶解和多碘化物的穿梭效应，被认为是最具有成本效益的选择。

海南省作为热带岛屿，具有丰富的植物多样性和生物质资源。本工作系统探索了一系列天然植物衍生胶（瓜尔豆胶、刺槐豆胶和魔芋胶等）用作锌碘电池载碘正极粘结剂的可行性。一系列光谱表征和理论计算结果表明，以瓜尔豆胶（GG）为例，与传统的水系粘结剂PTFE相比，其具有的丰富N、O基活性官能团对碘物种（I−，I2和I3−）具有较强的化学吸附能力和较高的结合能，有助于抑制多碘化物穿梭和活性碘溶解（图1）。GG单体分子的静电势分布图显示出负电位区域，可通过静电吸引作用吸附多碘化物。同时，较低的吉布斯自由能表明GG粘结剂的引入有助于提高载碘正极的碘氧化还原反应动力学。得益于上述优势，使用GG粘结剂的Zn//UAC@I2电池具有优异的抗自放电能力、较快的电化学反应动力学、高倍率性能和长循环稳定性。具体而言，在1 A g−1电流密度下循环10000圈后，可逆比容量依然能够保持在136 mAh g−1，相应的容量保有率高达80%。该研究工作通过廉价高效的天然植物胶粘结剂设计策略解决了ZIBs的活性碘溶解和多碘化物穿梭等问题，有助于推动锌碘电池的实际应用。

图1天然植物胶类粘结剂对锌碘电池载碘正极作用机制示意图

该工作得到了海南大学海洋科技协同创新基金（XTCX2022HYC14）、国家自然科学基金（52404316, 52461040, 52274297和22202053）、海南省院士创新平台（YSPTZX202315）、海南省自然科学基金（524RC475）和海南大学高层次人才科研启动基金（KYQD(ZR)-23069，23169和21124）的支持。此外，该论文相关材料表征工作也得到了海南大学皮米电镜中心的支持和帮助。

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