Nat. Commun.：可充碘-碳電池實現離子插層與氧化還原機制的統一

【引言】

海水中的碘儲量豐富、富集工藝成熟、價格低廉，展現出了廣闊的電池應用前景。鋰/鈉-碘電池作為高容量、綠色、高效的新型二次電池，是潛在的高性能儲能電池，但目前仍需探索和發展高效、高導電、穩定負載的碘基正極材料。研究發現三維導電多孔碳網絡的引入能夠通過離子插層有效地提升電池的容量，然而調節離子插層與氧化還原反應機制來提高全電池的可充性能仍具挑戰性。因此，為克服電極反應動力學差異并提高電池性能，發展離子插層與氧化還原兩種機制統一的電極材料十分必要。

【成果簡介】

近日，山東大學的張進濤教授和美國凱斯西儲大學戴黎明教授（共同通訊作者）等人在Nature Communications上發表最新研究成果 “A rechargeable iodine-carbon battery that exploits ion intercalation and iodine redox chemistry”。在該文中，研究者以植酸摻雜聚苯胺修飾的無紡布作為前驅體，制備得到自支撐、柔性氮磷共摻雜的層狀多孔石墨化碳宏觀體（HPCM-NP），并利用此導電HPCM-NP為基體材料負載碘制得無集流體、無粘結劑、自支撐的含碘陰極復合材料。HPCM-NP中雜原子摻雜的多孔石墨化碳骨架不僅為碘的負載提供了空間，而且產生了有效的電子離子傳輸通道，有利于實現碘的氧化還原反應和碳材料的離子插層，使得電池具有優異的電化學性能。離子的插層與碘的氧化還原反應儲能機制的結合構筑了可充碘-碳電池，以碳材料取代常規鋰鈉金屬負極，極大地提升了電池的安全穩定性，這種廉價環保的碳基混合離子全電池為未來大規模儲能器件發展提供了新方向。

【圖文導讀】

圖1 HPCM-NP的制備與碘的負載

（a）沉積PANi、退火、負載碘的過程示意圖；
（b）HPCM-NP實物照片；
（c，d）HPCM-NP SEM圖片；
（e，f）HPCM-NP TEM圖片；
（g）負載碘的HPCM-NP SEM圖與元素分布圖。

圖2 碘-碳復合物的組分表征與穩定性分析

（a）不同種類碳吸附的碘質量分數與吸附時間的關系曲線；
（b）不同碘吸附量的HCPM-NP N₂吸附-脫附曲線；
（c）不同碘吸附量的HCPM-NP孔尺寸分布曲線;
（d）I₂-HCPM-NP高分辨XPS曲線;
（e）純碘與碘碳復合物（碘含量40%）的熱重分析曲線；
（f）不同碘含量的I₂-HCPM-NP復合物熱重分析曲線；
（g） 碘吸附在石墨烯（Ⅰ）、N摻雜石墨烯（Ⅱ）、P摻雜石墨烯（Ⅲ）、N/P共摻雜石墨烯（Ⅳ）時模擬結構的差分電荷密度。

圖3 不同碘陰極構筑的Li-I₂ 電池電化學性能

（a）循環伏安曲線；
（b）充放電曲線；
（c）相同碘負載量時不同碘-碳復合材料的放電比容量；
（d）倍率特性圖；
（e）循環穩定性圖。

圖4 以I₂-HCPM-NP為陰極材料的Na-I₂電池電化學性能

（a）Na-I₂電池CV曲線；
（b）Na-I₂電池充放電曲線；
（c，d）充放電曲線與不同充放電狀態下的原位拉曼表征。

圖5 碘-碳復合物全電池電化學性能

（a）LiTFSI電解質中I₂-HPCM-NP//HCPM-NP電池充放電曲線；
（b）NaClO₄電解質中I₂-HPCM-NP//HCPM-NP電池充放電曲線；
（c）不同情況下的表面贗電容（氧化還原）的貢獻；
（d）I₂-HPCM-NP//Li₄Ti₅O₁₂全電池不同電容密度下充放電曲線；
（e，f）不同類型全電池的倍率特性圖；
（g，h）不同類型全電池的循環穩定性；
（i）全電池的能量比較圖。

【小結】

在這項工作中，研究者制備了3D自支撐氮磷共摻雜碳宏觀體，異元素摻雜的多孔碳骨架有利于碘的高含量負載而形成自支撐碘-碳電極材料，基于該陰極材料的Li-I₂電池與Na-I₂電池具有高放電容量、高倍率特性、優異的循環穩定性。碘的氧化還原反應與碳材料離子插層機制的結合使得碘-碳全電池表現出高容量（高達217/182 mAh g^-1）與優異的循環穩定性（500 mA g^-1 時，76.7%@500圈/69.8%@300圈）。此研究工作為發展新型碘-碳電池，為實現安全、廉價可充電池的制備提供了新思路，并拓展了功能碳材料的相關應用。

文獻鏈接：A rechargeable iodine-carbon battery that exploits ion intercalation and iodine redox chemistry，(Nat. Commun., 2017, DOI: 10.1038/s41467-017-00649-7)

團隊介紹

張進濤 山東大學化學與化工學院教授，博士生導師。2012年于新加坡國立大學化學與生物分子工程系獲得博士學位，先后在南洋理工大學和美國凱斯西儲大學做博士后研究。自2015年9月到山東大學工作，入選山東省“泰山學者”青年專家和國家青年千人計劃。其研究工作集中在新型碳基催化劑和石墨烯基復合材料的設計開發及其在電化學催化與儲能中的應用研究， 致力于構建性能優異的電化學能源存儲和轉化器件，包括鋅-空氣電池、超級電容器、燃料電池等。包括以下研究方向：
（1）新型能源材料和器件的設計與性能優化。研究復合材料的儲能機理，指導新型復合儲能材料的制備及其應用（如鋰離子電池、超級電容器、金屬空氣電池、鋰-硫電池等）；
（2）非貴金屬催化劑的創新性合成與應用。設計合成低成本、高催化活性的多功能催化劑，用于金屬空氣電池、燃料電池、電催化制氫產氧、電化學二氧化碳還原等。
至今，在Nature Nanotech.、Nature Commun., Sci. Adv., Angew. Chem. Int. Ed., Energy Environ. Sci., ACS Catal.等國際期刊發表SCI論文40余篇，論文已被引用3600余次。另外，主編RSC專著1部，撰寫圖書3章。

代表性論文：
Zhang J., & Dai L. Nature Nanotech., 2015,10, 444；
Zhang J., & Zhao X. Energy Environ. Sci. , 2011,4, 4009；
Zhang J., & Dai L. Angew. Chem. Int. Ed. 2016, 55, 13296；
Zhang J., & Dai L. Angew. Chem. Int. Ed, 2016, 55,2230 ；
Lu K., & Zhang J. Angew. Chem. Int. Ed, 2016, 55, 10448；
Lu K., & Zhang J. Nat. Commun., 2017, 8,527.

本文由材料人新能源前線 曾沙 供稿。

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