随着新能源产业的快速发展,电源技术在安全性、能量密度、循环寿命等方面面临着更严格的考验。目前锂离子电池已获得普遍应用,但锂金属昂贵的价格限制了锂离子电池持续推广使用,开发新型能源存储与转换技术已经越来越重要。
近年来,水系锌碘电池因具有显著优势,引起科研人员的广泛关注。锌碘电池中使用的水系电解液能大大提高电池的安全性,避免电池在使用过程中发生电解液毒害、爆炸等问题。同时,锌碘电池的比容量高,锌和碘元素在地壳中的自然储量极其丰富且获取途径相对简单,大大降低了锌碘电池的使用成本,便于实际应用。
尽管越来越多关于锌碘电池中碘载体材料的研究被报道,例如碳基材料、无机材料、聚合物、有机物等,但截至目前,仍没有文章对碘载体材料的研究进展作系统且全面的总结。为此,该文从设计理念、构筑方法、工作机理和电化学性能等方面,综述了近年锌碘电池中碘载体材料的研究进展,探究该材料的组成、结构及形貌对锌碘电池电化学性能的影响,揭示其内在构效关系,明确了其物理限域和化学吸附、催化作用对电化学性能的协同增效机制。最后,对当前仍然存在的问题进行归纳总结,并提出碘载体材料未来可能的研究方向。
该文认为,锌碘电池工作时的中间产物导电性极低、易溶解于电解液、多碘离子转化反应动力学缓慢等,是限制其实际应用的主要问题。
为此,将碘活性组分限制在载体材料中,能很大程度解决上述问题。一方面,高导电性的载体材料能够促进电化学反应过程中的电子快速传输。其内部完整有序的孔隙结构能够承载碘活性物质,并能够利用孔隙结构的物理限域作用,限制中间产物多碘离子的溶解及扩散,从而提高碘单质的有效利用率、抑制多碘离子的穿梭效应。目前,包括石墨烯、多孔碳在内的碳基材料是使用最广泛的碘载体材料。
另一方面,以不同方式构筑碳基材料的微纳结构,结合物理限域和化学吸附,也能达到抑制多碘离子溶解和穿梭的效果,从而提升锌碘电池的电化学性能。
此外,添加金属单原子、金属氮化物、金属复合物等电催化剂,也可以加快中间产物多碘离子的氧化还原反应速率。各类有机物和导电聚合物,比如普鲁士蓝类似物、淀粉等,也被用于碘载体材料。
但目前为止,单一的碘载体材料仍然面临着抑制效果不足、合成步骤繁琐、成本偏高等诸多问题。要将锌碘电池进一步推向实际应用,亟待摸清其内在反应机理,提高正极碘担载量,降低电解液使用量,同时抑制锌负极产生的枝晶。随着研究的不断深入和技术的不断突破,锌碘电池将在储能领域展现出更加广阔的应用前景。