水系锌碘电池具有低成本、高安全、资源丰富、快速的氧化还原化学等优点，在储能系统中具有极大的应用前景。尽管具有这些优点，传统的I2/I-转换反应(0.54V vs. SHE)使电池的输出电压和能量密度并不理想，这阻碍了电池的进一步发展。新兴的I+/I0氧化还原化学(0.99 V vs. SHE)可以赋予锌碘电池一个更高的电压平台，从而提高能量密度。然而根据以往报道，水系电解质中热力学不稳定的I+阳离子往往需要富含卤化物的高浓电解质来激活并稳定，这给电池的制造同时带来了成本和腐蚀挑战。
复旦大学的卢红斌教授与同济大学的王超研究员合作，报道了一种全新的策略——通过酞菁铜/石墨烯异质结宿主来稳定I+阳离子。研究表明，这种稳定作用来源于I+离子与酞菁铜之间的电荷转移相互作用。更重要的是，酞菁铜和石墨烯的π-π共轭可以促进电子从石墨烯转移到酞菁铜，从而进一步提高I+离子的稳定性。因此，利用这种电子外流的异质结宿主组装的锌碘电池可以在硫酸锌电解质中实现可逆的I+/I5-高压氧化还原反应。
本文要点
1. 首次通过碘物种与宿主材料之间的相互作用激活并稳定I+阳离子，在硫酸锌水系电解质中构建了具有两步转化反应的锌碘电池。
2. 通过原位拉曼和非原位紫外光谱证实了高压锌碘电池中的I5-/I-和I+/I5-两步氧化还原反应机理。
3. 通过XPS、拉曼、紫外光谱和DFT计算阐明了异质结宿主中的π-π共轭和电子外流效应，并通过DFT计算分析了I+离子和宿主材料之间的电荷转移相互作用。
4. 构建的高压锌碘电池具有出色的倍率性能和循环稳定性，在3 A g-1的电流密度下具有233.8 Wh kg-1的能量密度（高压平台贡献率50.5%）。
以上成果以“Electron-Outflowing Heterostructure Hosts for High-Voltage Aqueous Zinc-Iodine Batteries”为题发表在上Energy Storage Materials上。论文第一作者为复旦大学高分子科学系2021级博士生康峻铭。
论文连接：https://doi.org/10.1016/j.ensm.2024.103367
