背景介紹

鋰碘電池具有能量密度高、功率密度優異、可持續性好和經濟性等優點，在儲能系統領域是極具有吸引力的。

然而，鋰碘電池的正極存在嚴重的熱力學不穩定性和穿梭問題，困擾著活性碘負載、容量保持和可循環性。

與傳統插層式的鋰電池不同，鋰碘電池是利用氧化還原的原理來實現高能量和高功率密度的。

目前，鋰碘電池存在的問題：1. 碘的氧化還原活性普遍受到化學鍵的限制，大多數碘化物表現出電化學惰性，不符合電池的氧化還原要求；2. 已報道的碘化物，如PVPI和LiI，由于聚合物鏈結構大或不穩定的鍵合而在空氣中氧化，導致碘含量低，極大地限制了作為碘基正極的應用。

有研究者采用多孔或二維層狀載體的方法儲碘，由于碘的高升華性而引入大量的非活性物質，而且固定效果有限。還有部分報道利用電解液調節，但該該方法成本高且不可控，活性碘利用率低。

工作簡介

香港城市大學的支春義教授團隊報告了一種高熱穩定的I-/I3-鍵合的有機鹽，碘含量高達80%用作可充電鋰碘電池的正極材料。甲胺氫碘化物（CH6NI，MAI）或四丁基三碘化銨（C16H36NI3，TBAI3）中的碘在不犧牲氧化還原活性的前提下通過與有機基團的化學鍵合來穩定。計算表明，MAI和TBAI3中的碘含量分別為80 wt%和61 wt%。

圖片來源：文獻官網

該有機碘鹽作為鋰碘電池的正極實現了0.5 C下173.6 mAh g?1MAI（217 mAh g?1I）的比容量，50 C下133.1mAh g?1MAI的比容量。5 C下10000次循環（超5 個月）容量保持率達98.3%。

內容詳情

MAI和TBAI3的分子結構以及有機陽離子與 I-/I3-陰離子之間的靜電相互作用；MAI和TBAI3的掃描電鏡圖。（圖片來源，論文截圖）

已報道的金屬-碘電池中正極材料碘含量的比較（圖片來源：論文截圖）

a）CV曲線；b）還原氧化峰值電流與掃描速率平方根的線性擬合；c）EIS測試；d）充/放電電壓曲線；e）放電倍率；f）不同碘基電池的Ragone圖。（圖片來源：論文截圖）

根據分析得出的電化學氧化還原反應機制（圖片來源：論文截圖）

Li-MAI電池在5 C下超5 個月充/放電循環（圖片來源：論文截圖）

總結

1. 作者開發了熱穩定的且具有電化學活性的I-/I3-鍵合有機鹽作為可充電Li-I2電池的正極。

2. 其中，MAI和TBAI3的碘含量分別高達80 wt%和61 wt%。

3. 可充電Li-I2電池在0.5 C下提供了接近理論值的比容量173.6 mAh g-1MAI（217 mAh g-1I）和2.9 V的電壓平臺，從而實現了504 Wh kg-1的高能量密度MAI / 631 Wh kg-1I。得益于碘的快氧化還原動力學，在20 C和50 C下容量保持率分別為88.8%和78.1%。

4. 碘化物和有機基團之間的強吸附顯著阻礙了穿梭效應，從而使具有高容量并消除了陽極腐蝕，延長了使用壽命。5 C下10 000 次循環的容量保持率為98.3%，這是有史以來報道的 具有最長壽命的Li-I2電池。

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