Nat. Commun.：可充碘-碳电池实现离子插层与氧化还原机制的统一

【引言】

海水中的碘储量丰富、富集工艺成熟、价格低廉，展现出了广阔的电池应用前景。锂/钠-碘电池作为高容量、绿色、高效的新型二次电池，是潜在的高性能储能电池，但目前仍需探索和发展高效、高导电、稳定负载的碘基正极材料。研究发现三维导电多孔碳网络的引入能够通过离子插层有效地提升电池的容量，然而调节离子插层与氧化还原反应机制来提高全电池的可充性能仍具挑战性。因此，为克服电极反应动力学差异并提高电池性能，发展离子插层与氧化还原两种机制统一的电极材料十分必要。

【成果简介】

近日，山东大学的张进涛教授和美国凯斯西储大学戴黎明教授（共同通讯作者）等人在Nature Communications上发表最新研究成果 “A rechargeable iodine-carbon battery that exploits ion intercalation and iodine redox chemistry”。在该文中，研究者以植酸掺杂聚苯胺修饰的无纺布作为前驱体，制备得到自支撑、柔性氮磷共掺杂的层状多孔石墨化碳宏观体（HPCM-NP），并利用此导电HPCM-NP为基体材料负载碘制得无集流体、无粘结剂、自支撑的含碘阴极复合材料。HPCM-NP中杂原子掺杂的多孔石墨化碳骨架不仅为碘的负载提供了空间，而且产生了有效的电子离子传输通道，有利于实现碘的氧化还原反应和碳材料的离子插层，使得电池具有优异的电化学性能。离子的插层与碘的氧化还原反应储能机制的结合构筑了可充碘-碳电池，以碳材料取代常规锂钠金属负极，极大地提升了电池的安全稳定性，这种廉价环保的碳基混合离子全电池为未来大规模储能器件发展提供了新方向。

【图文导读】

图1 HPCM-NP的制备与碘的负载

（a）沉积PANi、退火、负载碘的过程示意图；
（b）HPCM-NP实物照片；
（c，d）HPCM-NP SEM图片；
（e，f）HPCM-NP TEM图片；
（g）负载碘的HPCM-NP SEM图与元素分布图。

图2 碘-碳复合物的组分表征与稳定性分析

（a）不同种类碳吸附的碘质量分数与吸附时间的关系曲线；
（b）不同碘吸附量的HCPM-NP N₂吸附-脱附曲线；
（c）不同碘吸附量的HCPM-NP孔尺寸分布曲线;
（d）I₂-HCPM-NP高分辨XPS曲线;
（e）纯碘与碘碳复合物（碘含量40%）的热重分析曲线；
（f）不同碘含量的I₂-HCPM-NP复合物热重分析曲线；
（g） 碘吸附在石墨烯（Ⅰ）、N掺杂石墨烯（Ⅱ）、P掺杂石墨烯（Ⅲ）、N/P共掺杂石墨烯（Ⅳ）时模拟结构的差分电荷密度。

图3 不同碘阴极构筑的Li-I₂ 电池电化学性能

（a）循环伏安曲线；
（b）充放电曲线；
（c）相同碘负载量时不同碘-碳复合材料的放电比容量；
（d）倍率特性图；
（e）循环稳定性图。

图4 以I₂-HCPM-NP为阴极材料的Na-I₂电池电化学性能

（a）Na-I₂电池CV曲线；
（b）Na-I₂电池充放电曲线；
（c，d）充放电曲线与不同充放电状态下的原位拉曼表征。

图5 碘-碳复合物全电池电化学性能

（a）LiTFSI电解质中I₂-HPCM-NP//HCPM-NP电池充放电曲线；
（b）NaClO₄电解质中I₂-HPCM-NP//HCPM-NP电池充放电曲线；
（c）不同情况下的表面赝电容（氧化还原）的贡献；
（d）I₂-HPCM-NP//Li₄Ti₅O₁₂全电池不同电容密度下充放电曲线；
（e，f）不同类型全电池的倍率特性图；
（g，h）不同类型全电池的循环稳定性；
（i）全电池的能量比较图。

【小结】

在这项工作中，研究者制备了3D自支撑氮磷共掺杂碳宏观体，异元素掺杂的多孔碳骨架有利于碘的高含量负载而形成自支撑碘-碳电极材料，基于该阴极材料的Li-I₂电池与Na-I₂电池具有高放电容量、高倍率特性、优异的循环稳定性。碘的氧化还原反应与碳材料离子插层机制的结合使得碘-碳全电池表现出高容量（高达217/182 mAh g^-1）与优异的循环稳定性（500 mA g^-1 时，76.7%@500圈/69.8%@300圈）。此研究工作为发展新型碘-碳电池，为实现安全、廉价可充电池的制备提供了新思路，并拓展了功能碳材料的相关应用。

文献链接：A rechargeable iodine-carbon battery that exploits ion intercalation and iodine redox chemistry，(Nat. Commun., 2017, DOI: 10.1038/s41467-017-00649-7)

团队介绍

张进涛 山东大学化学与化工学院教授，博士生导师。2012年于新加坡国立大学化学与生物分子工程系获得博士学位，先后在南洋理工大学和美国凯斯西储大学做博士后研究。自2015年9月到山东大学工作，入选山东省“泰山学者”青年专家和国家青年千人计划。其研究工作集中在新型碳基催化剂和石墨烯基复合材料的设计开发及其在电化学催化与储能中的应用研究， 致力于构建性能优异的电化学能源存储和转化器件，包括锌-空气电池、超级电容器、燃料电池等。包括以下研究方向：
（1）新型能源材料和器件的设计与性能优化。研究复合材料的储能机理，指导新型复合储能材料的制备及其应用（如锂离子电池、超级电容器、金属空气电池、锂-硫电池等）；
（2）非贵金属催化剂的创新性合成与应用。设计合成低成本、高催化活性的多功能催化剂，用于金属空气电池、燃料电池、电催化制氢产氧、电化学二氧化碳还原等。
至今，在Nature Nanotech.、Nature Commun., Sci. Adv., Angew. Chem. Int. Ed., Energy Environ. Sci., ACS Catal.等国际期刊发表SCI论文40余篇，论文已被引用3600余次。另外，主编RSC专著1部，撰写图书3章。

代表性论文：
Zhang J., & Dai L. Nature Nanotech., 2015,10, 444；
Zhang J., & Zhao X. Energy Environ. Sci. , 2011,4, 4009；
Zhang J., & Dai L. Angew. Chem. Int. Ed. 2016, 55, 13296；
Zhang J., & Dai L. Angew. Chem. Int. Ed, 2016, 55,2230 ；
Lu K., & Zhang J. Angew. Chem. Int. Ed, 2016, 55, 10448；
Lu K., & Zhang J. Nat. Commun., 2017, 8,527.

本文由材料人新能源前线 曾沙 供稿。

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