中國儲能網(wǎng)訊：近日，中國科學院大連化學物理研究所研究員李先鋒團隊與研究員傅強團隊合作，在鹵素水系電池研究方面取得新進展，開發(fā)了一種基于溴和碘元素的多電子轉(zhuǎn)移正極，其比容量超過840安時/升（Ah L-1），在全電池測試中正極側(cè)能量密度超過1200瓦時/升（Wh/L），為高能量密度水系電池的設(shè)計提供了新思路。相關(guān)成果于近日發(fā)表在《自然-能源》（Nature Energy）上。
能量密度和安全性是衡量二次電池的重要標準。傳統(tǒng)的非水系鋰離子電池盡管具有高的能量密度，但其采用的有機電解液易燃，安全性問題難以保障。水系電池采用水作為溶劑，具有安全性。然而，受限于電解液溶解度低、電池電壓低等問題，水系電池的能量密度一般較低，即單位體積內(nèi)的電池儲存的電量較少。例如，傳統(tǒng)的水系電池如全釩液流電池和鋅溴液流電池的能量密度分別約為30瓦時/升和60瓦時/升，使其僅能用于大規(guī)模固定儲能。
為了提高水系電池的能量密度，本工作中，李先鋒團隊使用碘離子（I-）和溴離子（Br-）混合鹵素溶液作為電解液，構(gòu)建了碘離子（I-）到碘單質(zhì)（I2）進而到碘酸根（IO3-）的多電子轉(zhuǎn)移反應(yīng)。充電過程中，碘離子在正極生成碘酸根，伴隨生成的氫離子從正極傳導到負極一側(cè)；放電過程中，氫離子從負極向正極傳導，碘酸根被還原為碘離子。團隊利用在充放電過程中形成的溴化物中間態(tài)，優(yōu)化了反應(yīng)路徑，有效提高了電化學反應(yīng)的活性和可逆性，所開發(fā)的多電子轉(zhuǎn)移正極比容量達840安時/升。該正極與金屬鎘組成全電池，基于正極側(cè)的能量密度超過1200瓦時/升。
研究發(fā)現(xiàn)，在電解液中加入的溴離子可在電池充電過程中生成極性的溴化碘（IBr），有利于和水反應(yīng)形成碘酸根，從而提高了反應(yīng)速率并且降低了充電電壓；在放電過程中，碘酸根通過與溴離子反應(yīng)生成溴（Br2），并參與電化學反應(yīng)，實現(xiàn)碘酸根的可逆、快速放電，不僅提高了電池的放電電壓，同時提高了碘酸根的還原速率。優(yōu)化后的電解液，溴化物充當了氧化還原的“橋梁”，大幅度提高了電池的效率和反應(yīng)速率。研究團隊通過原位光學顯微鏡、拉曼光譜等手段證明了上述反應(yīng)過程。
該研究有望拓寬高能量密度水系電池的研究途經(jīng)，為高能量密度水系電池的設(shè)計提供一種新思路。此外，該研究還拓展了水系電池的應(yīng)用范圍，有望應(yīng)用在動力電池等領(lǐng)域，為環(huán)境保護和能源結(jié)構(gòu)升級提供技術(shù)保障。
