水系锌碘（Zn-I2）电池因电网储能需求备受关注，但多碘化物的穿梭效应导致了其库仑效率低、自放电严重和碘利用率低等问题。在本文中，我们通过四甲基碘化铵（TMAI）电解液添加剂在正极表面原位构建了一种动态中间层, 其能有效防止多碘化物在电解液中的溶解和迁移，从而提高电池的库伦效率并降低电池的自放电速率。重要的是，该中间层在循环过程中还表现出良好的电化学活性，在放电过程中可以将多碘化物可还原为I⁻离子，从而提高电池的整体容量和碘利用率。此外，TMAI抑制了锌负极表面的副反应能够改善锌离子的沉积行为，显著增强了电池循环稳定性。
动态正极中间层的演化示意图
解决的关键科学问题：
水系锌碘（Zn-I2）电池因其低成本、高安全性和长寿命等特点，在电网储能领域展现出巨大的应用潜力。然而，现阶段的Zn-I2电池面临一个关键科学问题——多碘化物穿梭效应（I− 3、I− 5等）。这些多碘化物倾向于溶解到水系电解液中，一方面导致活性碘损失，进而降低电池的库仑效率（< 98%）和碘利用率（< 80%）。另一方面，溶解的多碘化物会向负极扩散并与锌金属反应，这不仅会导致锌负极腐蚀，还会造成电池严重的自放电（满电静置两天后> 10%）。这些问题阻碍了Zn-I2电池的进一步发展和产业化应用。
研究工作亮点：
1. 四甲基铵阳离子（TMA⁺）在充电过程中通过与多碘离子反应在正极表面形成原位中间层，其可以有效抑制多碘化物的溶解和扩散，从而实现高库仑效率和超低自放电。Zn-I2电池在0.2 A g−1的平均库仑效率达到99.8%，并且在充满电静置7天后的自放电率仅为2.9%。
2. 这种中间层具有电化学活性，在放电过程中能将多碘化物还原为I⁻离子。这使得中间层在充电和放电过程中可逆地形成与溶解，从而提升电池的放电容量和能量密度，并实现高碘利用率。低N/P比电池展现出2.2 mAh cm−2的放电容量和98 Wh kg−1的能量密度（基于正负极活性材料），软包电池可以实现2.9 mAh cm−2的放电容量和89.1%的碘利用率（基于正极和电解液中的碘）。
3. TMA+和I−的优先吸附减少了负极表面的活性水分子数量，抑制了由水引发的副反应；吸附在锌表面的TMA⁺能够排斥Zn2+，阻止它们横向扩散形成枝晶，这些特性明显提升了电池的循环稳定性。Zn||Zn电池在1 mA cm−2和1 mAh cm−2条件下能够稳定循环4200小时，Zn-I2能够在5 A g−1稳定循环36000圈而没有容量衰减。
实际应用价值：
开发具有本质安全、成本低廉、环境友好的储能系统已成为全球关注的焦点。水系锌碘（Zn-I2）电池因其资源丰富、不易燃性与良好的循环稳定性，有望成为先进的下一代电站储能系统。本研究表明，由TMAI添加剂与多碘化物反应生成的动态正极中间层在阻碍穿梭效应方面非常有效。这种添加剂价格低廉，无毒无害，效果优异，为开发长循环寿命、无穿梭效应和高能量密度的水系锌碘电池提供了广阔的应用前景。
文章以“Dynamic Cathode Interlayer for Ultralow Self-Discharge and High Iodide Utilization in Zinc-Iodine Batteries”为题发表在Energy & Environmental Science上，复旦大学高分子科学系博士生康峻铭和博士后张佳佳为本文第一作者,文章链接：https://doi.org/10.1039/D4EE05584E
