新型催化劑提高水系鋅碘電池穩(wěn)定性
傳統(tǒng)的鋅碘電池面臨活性碘溶解和多碘化物穿梭的問(wèn)題，前者會(huì)降低電池容量和使用壽命，后者則影響電池的能量效率和長(zhǎng)期穩(wěn)定使用。水系鋅碘電池因其高安全性、高能量密度、低成本和環(huán)保屬性而受到廣泛關(guān)注。然而，活性碘溶解和多碘化物穿梭是阻礙水系鋅碘電池應(yīng)用的兩大障礙。
為了解決這些問(wèn)題，設(shè)計(jì)合成具有高比表面積、強(qiáng)化學(xué)吸附能力、豐富活性位點(diǎn)和快速碘氧化還原反應(yīng)動(dòng)力學(xué)的催化劑型載碘正極材料顯得尤為重要。海南大學(xué)海洋科學(xué)與工程學(xué)院副教授邢振月、史曉東和教授田新龍團(tuán)隊(duì)研究發(fā)現(xiàn)，將鐵鈷鎳原子摻雜多孔碳催化劑作為功能載體材料可以推動(dòng)水系鋅碘電池循環(huán)穩(wěn)定工作。
研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)活字印刷法，精確合成鐵、鈷、鎳等單原子個(gè)體作為“活字”模板，選擇具有高比表面積、豐富孔隙結(jié)構(gòu)和良好導(dǎo)電性的活性炭、碳納米管、石墨烯等合適的多孔碳材料作為“紙張”。在將二者按照一定的比例混合后，通過(guò)物理或化學(xué)方法實(shí)現(xiàn)單原子對(duì)多孔碳的負(fù)載。負(fù)載后的混合物經(jīng)過(guò)高溫處理，鐵鈷鎳原子能夠“點(diǎn)對(duì)點(diǎn)”地印刷到碳載體上，形成穩(wěn)定的化學(xué)鍵合，從而得到鐵鈷鎳原子摻雜多孔碳催化劑。
理論計(jì)算和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，鐵鈷鎳原子摻雜多孔碳催化劑具有較高的比表面積和豐富的摻雜位點(diǎn)，對(duì)碘的化學(xué)吸附能力強(qiáng)，對(duì)碘氧化還原反應(yīng)動(dòng)力學(xué)具有較高的催化活性。這些結(jié)構(gòu)優(yōu)勢(shì)有效抑制了活性碘溶解和多碘化物穿梭，確保了鋅碘電池持久的循環(huán)穩(wěn)定性。
具體而言，催化劑的高比表面積提供了更多的活性位點(diǎn)，增強(qiáng)了與碘的相互作用，從而減少了活性碘的溶解。同時(shí)，催化劑的強(qiáng)化學(xué)吸附能力有效固定了碘分子，減少了多碘化物的穿梭效應(yīng)，提高了電池的能量效率和循環(huán)穩(wěn)定性。
此外，研究團(tuán)隊(duì)還對(duì)合成的催化劑進(jìn)行了優(yōu)化處理，使其更適合于具體的應(yīng)用需求。優(yōu)化后的催化劑在鋅碘電池中表現(xiàn)出了優(yōu)異的性能，不僅在高電流密度下具有高的倍率性能，還在長(zhǎng)期循環(huán)中保持了高的容量保持率。即使在實(shí)用條件下，如低溫和高倍率充放電，電池也能實(shí)現(xiàn)可逆運(yùn)行。
這一研究成果不僅為水系鋅碘電池的發(fā)展提供了新的思路，也為其他類型電池的研發(fā)提供了有益的借鑒。鐵鈷鎳原子摻雜多孔碳催化劑的制備簡(jiǎn)單，易于大規(guī)模生產(chǎn)，具有良好的應(yīng)用前景。未來(lái)，隨著研究的深入和技術(shù)的不斷成熟，這種新型催化劑有望在能源存儲(chǔ)和轉(zhuǎn)換領(lǐng)域發(fā)揮更大的作用。
相關(guān)研究成果Trimetallic Atom-Doped Functional Carbon Catalyst Enables Fast Redox Kinetics and Durable Cyclic Stability of Zinc-Iodine Batteries于近日發(fā)表在《先進(jìn)功能材料》(ADVANCED FUNCTIONAL MATERIALS)上。
參考來(lái)源：中國(guó)科學(xué)報(bào)
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