历经5个月，5 C循环10000次的锂碘（Li-I2）电池

2022-03-04 17:20

背景介绍

锂碘电池具有能量密度高、功率密度优异、可持续性好和经济性等优点，在储能系统领域是极具有吸引力的。

然而，锂碘电池的正极存在严重的热力学不稳定性和穿梭问题，困扰着活性碘负载、容量保持和可循环性。

与传统插层式的锂电池不同，锂碘电池是利用氧化还原的原理来实现高能量和高功率密度的。

目前，锂碘电池存在的问题：1. 碘的氧化还原活性普遍受到化学键的限制，大多数碘化物表现出电化学惰性，不符合电池的氧化还原要求；2. 已报道的碘化物，如PVPI和LiI，由于聚合物链结构大或不稳定的键合而在空气中氧化，导致碘含量低，极大地限制了作为碘基正极的应用。

有研究者采用多孔或二维层状载体的方法储碘，由于碘的高升华性而引入大量的非活性物质，而且固定效果有限。还有部分报道利用电解液调节，但该该方法成本高且不可控，活性碘利用率低。

工作简介

香港城市大学的支春义教授团队报告了一种高热稳定的I^-/I₃^-键合的有机盐，碘含量高达80%用作可充电锂碘电池的正极材料。甲胺氢碘化物（CH₆NI，MAI）或四丁基三碘化铵（C₁₆H₃₆NI₃，TBAI₃）中的碘在不牺牲氧化还原活性的前提下通过与有机基团的化学键合来稳定。计算表明，MAI和TBAI₃中的碘含量分别为80 wt%和61 wt%。

图片来源：文献官网

该有机碘盐作为锂碘电池的正极实现了0.5 C下173.6 mAh g^?1_MAI（217 mAh g^?1_I）的比容量，50 C下133.1mAh g^?1_MAI的比容量。5 C下10000次循环（超5 个月）容量保持率达98.3%。

内容详情

MAI和TBAI₃的分子结构以及有机阳离子与 I^-/I^3-阴离子之间的静电相互作用；MAI和TBAI₃的扫描电镜图。（图片来源，论文截图）

已报道的金属-碘电池中正极材料碘含量的比较（图片来源：论文截图）

a）CV曲线；b）还原氧化峰值电流与扫描速率平方根的线性拟合；c）EIS测试；d）充/放电电压曲线；e）放电倍率；f）不同碘基电池的Ragone图。（图片来源：论文截图）

根据分析得出的电化学氧化还原反应机制（图片来源：论文截图）

Li-MAI电池在5 C下超5 个月充/放电循环（图片来源：论文截图）

总结

1. 作者开发了热稳定的且具有电化学活性的I^-/I^3-键合有机盐作为可充电Li-I₂电池的正极。

2. 其中，MAI和TBAI₃的碘含量分别高达80 wt%和61 wt%。

3. 可充电Li-I₂电池在0.5 C下提供了接近理论值的比容量173.6 mAh g^-1_MAI（217 mAh g^-1_I）和2.9 V的电压平台，从而实现了504 Wh kg^-1的高能量密度_MAI / 631 Wh kg^-1_I。得益于碘的快氧化还原动力学，在20 C和50 C下容量保持率分别为88.8%和78.1%。