南京工业大学吴雨桐、复旦大学赵婕、清华深研院周光敏、西安科技大学刘建伟AFM:正极锚定策略实现锌碘电池60天超低自放电和1.7年超长循环

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文 章 信 息

季铵碘盐功能化正极用于耐久型水系 Zn–I2 电池中多碘化物的直接限域

第一作者：吴雨桐，张宇浩，王国韬，孙武

通讯作者：赵婕*，周光敏*，刘建伟*

水系 Zn–I2 电池兼具安全性高、材料相对廉价、碘活性物质稳定性较好等优点，因此近年来受到持续关注。但其进一步应用仍面临一个关键难题：充放电过程中生成的多碘化物容易溶解并在正负极之间迁移，引发穿梭、自放电、容量衰减以及锌负极副反应。尤其是在扣式等固态活性材料（SAM）电池中，电极间距短、体系紧凑，这一问题往往更加突出。围绕这一问题，已有研究多采用电解液添加剂、混合电解液或氧化还原介体等策略进行调控，但这类方法通常仍依赖可流动、可溶解的多碘化物物种，难以从根本上解决长期穿梭和自放电问题。同时，这些方案往往对电解液组成较为敏感，适用性和机制清晰度也受到限制。针对这一瓶颈，作者提出了一种不同于传统电解液添加剂思路的新方案：不再把络合剂溶解在电解液中，而是直接把“多碘化物络合/限域功能”嵌入固相正极内部，在反应界面原位建立更稳定、更持久的限域环境。

近日，来自南京工业大学的吴雨桐联合复旦大学赵捷、清华大学深圳国际研究生院周光敏、西安科技大学刘建伟等团队合作，在国际知名期刊 Advanced Functional Materials 上发表题为 “Quaternary Ammonium Iodide–Functionalized Cathodes for Direct Polyiodide Confinement in Durable Aqueous Zn–I2 Batteries” 的研究论文。该工作聚焦水系 Zn–I2 电池中长期存在的多碘化物穿梭与自放电难题，提出将卤素络合剂由电解液侧调控转向固相正极内部锚定，在反应界面原位构建更加稳定的多碘化物限域环境。通过对多种季铵盐的系统筛选，作者明确了 TBAI 在溶解性、络合能力与体系适配性之间的综合优势，并基于此实现了兼具60天超低自放电与1.7年超长循环寿命的 Zn–I2 电池性能，为耐久性 Zn–卤素电池的分子设计与正极构筑提供了新的研究框架。

针对 Zn–I2 电池中多碘化物易溶解、易迁移并进一步诱发穿梭、自放电及容量衰减的问题，作者提出将碘络合功能由电解液侧调控转向固相正极内部整合。该策略强调在反应界面原位构建局域且持久的限域环境，使活性碘物种在生成后即可被正极侧有效约束，从而降低其向体相电解液及锌负极扩散的可能性。与传统添加剂方案相比，这一路线更加突出“调控位置前移”的设计思想，为 SAM 型 Zn–I2 电池提供了新的正极构筑思路。

本文并未直接选取单一分子开展器件构筑，而是首先围绕多种季铵盐的水溶解性、多碘化物结合能力、分子结构特征及体系适配性进行了系统比较。结果表明，TBAI 既具有较低的水溶解度，能够较稳定地驻留于正极内部，又表现出最强的 I3− 络合与清除能力，可显著减少游离多碘化物的存在。进一步结合实验表征与理论分析可知，其优越性并非来源于某一单独参数，而是由溶解性、位阻效应、极化能力和分子堆积行为共同决定，体现出更优的综合平衡。

在完成分子筛选后，文章进一步考察了 TBAI 引入正极后的结构与性能响应。结果表明，TBAI 功能化正极在界面润湿性和机械完整性方面均明显优于对照体系，有助于维持稳定的电极结构和反应环境。更重要的是，这种结构与界面优势最终转化为极具代表性的器件表现：Zn||TBAI 在静置 1440 h（60 天） 后仍可保持 158.14 mAh g−1 的可逆容量，展现出极低的自放电水平；与此同时，其在 5 C 条件下可稳定循环 70000 圈（623 天，1.7年），平均容量保持在 112.8 mAh g−1，充分体现出该策略在储能保持能力和超长寿命方面的突出优势。

机理分析表明，TBAI 不仅能够将多碘化物更有效地限制在正极侧，而且还能同步改善锌负极的沉积行为与界面稳定性。AFM、XPS、XRD 与光学显微结果均显示，Zn||TBAI 对应的锌表面更加平整，副产物积累更少，并呈现更明显的 Zn (002) 择优沉积特征。这说明该策略并非仅在正极端发挥作用，而是通过抑制多碘化物跨界迁移，进一步减轻了负极腐蚀、绝缘副产物生成及无序沉积问题，体现出对正负极双界面的协同稳定效应。

在接近实际应用的高载量、低电解液和不同温度条件下，TBAI 功能化体系仍保持出色的可逆性与长期稳定性。在高载量条件下，电池可在 1 C 下稳定循环 1700 圈，平均容量达到 207.3 mAh g−1。尤其值得强调的是，其自放电与长循环表现极为突出：相较于多数已报道 SAM 型 Zn–I2 体系，Zn||TBAI 的 60 天自放电性能为迄今最低自放电行为之一。同时，该体系在 5 C 下实现的 70000圈（623天，1.7 年）长循环，展现出当前 Zn–I2 体系中极具代表性的超长寿命表现。这进一步说明，该体系兼具超低自放电与超长循环寿命两方面优势，在 Zn–I2 电池实用化研究中具有鲜明的性能标杆特征。

“Quaternary Ammonium Iodide–Functionalized Cathodes for Direct Polyiodide Confinement in Durable Aqueous Zn–I2 Batteries”

赵婕，复旦大学智能材料与未来能源创新学院博士生导师，入选国家级青年高层次人才计划。2018年于美国斯坦福大学材料科学与工程系获得博士学位（导师崔屹，美国科学院院士），2018年至2020年在美国西北大学生物电子中心从事博士后研究（导师John A. Rogers，美国四院院士）。研究聚焦于高比能电池和柔性器件，并取得一系列原创性成果。以（共同）第一作者和（共同）通讯作者身份在Nat. Nanotechnol.，Nat. Commun.，J. Am. Chem. Soc.，Proc. Natl. Acad. Sci.，Adv. Mater.，Angew. Chem.等期刊发表论文多篇；以共同作者身份发表论文40余篇，包括 Science, Nat. Biomed. Eng., Nat. Energy等，引用超过16000次，2023和2024年交叉学科领域全球高被引科学家。科研成果被科技日报、J. Am. Chem. Soc.等著名报纸杂志报道或评选为研究亮点，多次受邀撰写以自己工作为主题的综述，发表在Acc. Chem. Res.和Trends Chem.上。受邀担任Frontiers in Electronics 副主编，eScience、Energy Material Advances、SmartMat等杂志的青年编委，Joule、Nat. Commun.和J. Am. Chem. Soc.等国际著名期刊审稿人。主持国家自然科学基金面上项目、政府间国际合作项目等多个国家和省部级项目，参与科技部重点研发和国家电网等多个项目。

周光敏，副教授，博士生导师。2014年博士毕业于中国科学院金属研究所，导师为成会明院士和李峰研究员。2014-2015年于美国UT Austin从事博士后研究，合作导师为Arumugam Manthiram教授。2015-2019年在斯坦福大学崔屹教授课题组从事博士后研究。主要研究方向为电化学储能材料及器件与电池回收，已发表论文150余篇，其中第一作者及通讯作者论文包括Nature Nanotechnology, Nature Energy, Chemical Reviews，Nature Communications, Science Advances, PNAS，Advanced Materials等。论文被引用 28800多次(Google Scholar)，38篇入选ESI高被引论文，H-index为72，2018-2021连续4年入选科睿唯安全球高被引科学家。著作书籍Design, Fabrication and Electrochemical Performance of Nanostructured Carbon Based Materials for High-Energy Lithium-Sulfur Batteries以及≤Graphene Science Handbook≥书中章节一章。担任期刊Energy Storage Materials副编辑/科学执行编辑及多个期刊青年编委，入选海外高层次人才（青年），目前承担国家科技部重点研发项目（课题负责）、国家自然科学基金面上项目等，获得包括侯德榜化工科学技术奖青年奖、广东省材料研究学会青年科技奖、能源存储材料青年科学家奖、中国科学院院长特别奖、中国科学院优秀博士论文、Materials Today Rising Star Awards等奖励。

刘建伟，男，1990年出生，陕西延安人，副教授，硕士生导师，陕西省三秦英才特殊支持计划青年拔尖人才，陕西省青年科技新星。博士毕业于西安交通大学能源与动力工程学院，师从延卫教授和丁书江教授，长期致力于储能材料的开发、废旧电池回收及资源化。近年来发表SCI论文20余篇，授权发明专利2项。目前主持三秦英才青年拔尖人才项目，陕西省青年科技新星人才项目，西安科技大学高层次人才引进计划项目，陕西省自然科学基金青年项目、企业横向课题等共计8项。

吴雨桐 ，24岁博士毕业于美国佐治亚理工学院化学工程系，25岁受聘为南京工业大学副教授，27岁独立主持国家自然科学基金面上项目，30岁升任教授。致力于无膜电池、液流电池、锌基卤素电池、非常规液体活性物质电池体系的开发、纳米材料基环境卤素无害化处理及相关应用。已发表Sci论文近70篇，在Joule，PNAS，Chem， Advanced Energy Materials，Angew等国际顶刊以第一/通讯作者发表文章，他引3700余次。长期担任Nature正刊等国际顶刊审稿人。课题组网页yutongwulab.com/main_cn/。

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