水系鋅電池的保存期問題一直長期被忽視，尤其是對需要氧氣參與的鋅空電池。受限于水的揮發(fā)性和電壓窗口，水系鋅空電池在長期保存時(shí)需要不斷補(bǔ)充電解液。鋅腐蝕、枝晶、鈍化和產(chǎn)氣等問題也限制了電池保存期。此外，對正極而言，在堿性電解質(zhì)中易溶解二氧化碳，導(dǎo)致鈍化層產(chǎn)生，抑制了電催化劑活性。有機(jī)溶劑電解質(zhì)可以解決水系鋅空電池的上述問題，但存在離子電導(dǎo)率低，反應(yīng)動(dòng)力學(xué)緩慢，過電勢大的問題，并且這個(gè)問題在其它非水系鋅離子電池中也同樣存在。
近日，哈爾濱工業(yè)大學(xué)（深圳）黃燕教授和香港城市大學(xué)范俊教授合作，在低成本和低揮發(fā)性的乙二醇電解質(zhì)中引入I3?/I?氧化還原媒介（RMs），構(gòu)建了一種具有長保存期和加速反應(yīng)動(dòng)力學(xué)的有機(jī)鋅空電池。
堿性和中性電解液中，鋅空電池在長時(shí)間放置后性能變得極差，這是由于溶劑水的揮發(fā)導(dǎo)致。相反，乙二醇電解質(zhì)即使在開放環(huán)境中長期放置，電池仍可正常工作，但展示出低的能量效率（30.97%）。引入含碘RMs，電池的能量效率得到顯著提升（56.03%），在不更換鋅負(fù)極和補(bǔ)充電解液的條件下，鋅空電池可循環(huán)2600 h（鋅片厚度100 μm）,超過目前報(bào)道的絕大多數(shù)鋅空電池。原位紅外和XRD測試證明放電產(chǎn)物為Zn5(OH)8Cl2?H2O，在充電過程中則分解產(chǎn)生氧氣，電池展示出很好的可逆性。 為了探究OER和ORR過程的反應(yīng)路徑，采用前沿分子理論，通過計(jì)算最低未占據(jù)分子軌道（LUMO）和最高已占據(jù)分子軌道（HOMO）的能級來評價(jià)電解質(zhì)組分的氧化還原反應(yīng)活性。I?具有最高的HOMO能級，表明其在OER過程中首先被氧化成I3?，隨后，借助I3?的化學(xué)氧化，放電產(chǎn)物在低充電電位被分解；I2具有最低的LUMO能級，表明其在ORR過程中首先被還原成I-，吸附在電催化劑上的I?降低了ORR的過電位。此外，引入的I3?/I?RMs還可提升鋅的沉積動(dòng)力學(xué)，誘導(dǎo)均勻鋅沉積，避免鋅突起的產(chǎn)生。這些因素共同提升了鋅空電池的能量效率和循環(huán)壽命。 最后，作者證實(shí)了I3?/I? RMs對動(dòng)力學(xué)和過電勢的改善在其它有機(jī)溶劑和非金屬催化劑中具有普適性。該研究為構(gòu)建長保存期和長循環(huán)壽命的鋅空電池提供了新的思路。同時(shí),本研究很好地解決了電池研究中長期存在的放置問題和動(dòng)力學(xué)緩慢問題，促進(jìn)了研究成果的產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程。 論文信息 I3?/I? Redox Reaction-mediated Organic Zinc-Air Batteries with Accelerated Kinetics and Long Shelf Lives Mangwei Cui, Ninggui Ma, Hao Lei, Youfa Liu, Wei Ling, Sheng Chen, Jiaqi Wang, Prof. Hongfei Li, Zhaohui Li, Prof. Jun Fan, Prof. Yan Huang 文章的第一作者是哈爾濱工業(yè)大學(xué)（深圳）博士生崔芒偉，雷浩和香港城市大學(xué)博士生馬寧貴。 Angewandte Chemie International Edition DOI: 10.1002/anie.202303845
