海洋科学与工程学院史晓东&田新龙教授团队在Advanced Materials发表海水电池方向研究论文

近日，海洋科学与工程学院史晓东副教授所在团队在能源化学领域顶级期刊Advanced Materials (IF=27.3)发表题为“Mullite mineral-derived robust solid electrolyte enables polyiodide shuttle-free zinc-iodine batteries”的研究论文。海南大学李富龙硕士（研一）、周传聪博士（博三）和张杰硕士（研二）为论文共同第一作者，海南大学史晓东副教授和田新龙教授为论文共同通讯作者，海南大学海洋科学与工程学院为论文唯一通讯单位。

海洋是地球上碘元素的重要载体，海水中碘元素含量约为0.06 mg/L，海洋‌中总碘储量预计高达930亿吨。因此，开发高性能水系锌碘电池对于推动海洋卤素资源高价值利用具有重大战略意义。当前，锌枝晶、活性碘溶解以及多碘化物穿梭效应是诱发锌碘电池容量衰减的根本原因。为了同步解决锌金属负极和载碘正极（AC@I₂）存在的问题，本研究工作通过高通量理论计算筛选出了适用于制备锌基固态电解质的莫来石基天然矿物质（Zn-ML），并基于锌离子交换策略进一步优化了其电化学性能。理论计算结果表明，Zn-ML固态电解质具有本征电子绝缘、低锌离子扩散能垒（锌离子导体）和多碘化物吸附作用等特性，兼具隔膜和电解液双重作用，能够有效隔离锌金属负极和AC@I₂正极的氧化还原反应。电化学测试结果表明，Zn-ML固态电解质的电化学稳定电压窗口、锌离子迁移数、离子电导率和界面活化能垒依次为2.7 V（vs. Zn²⁺/Zn），0.51，7.8 mS cm^-1和29.7 kJ mol^-1。如图1所示，电池循环过程中，在锌负极侧，Zn-ML固态电解质能够引导均匀的沉积/剥离行为，抑制锌枝晶和副产物生长；在AC@I₂正极侧，Zn-ML固态电解质能够有效抑制活性碘溶解以及多碘化物穿梭效应。得益于此，本文报道的全固态锌碘电池在0.5和1 A g^-1电流密度下循环3000和2100圈后，可逆比容量分别能够保持在127.4和107.6 mAh g^-1，对应的容量保持率依次为85.2%和80.7%。

本研究工作首次将储量丰富、廉价易得的天然矿物质用作水系电池固态电解质，兼顾了水系电池低成本、高性能和长寿命的应用需求，既能够为长寿命水系储能器件提供新的研究思路，也能够促进矿物质基固态电解质在锌基二次电池中的应用基础研究。

图1 Zn-ML固态电解质对于锌碘电池正负极作用机制示意图

该工作得到了海南大学海洋科技协同创新基金（XTCX2022HYC14）、国家自然科学基金（52274297, 52164028）、海南省院士创新平台（YSPTZX202315）、海南省自然科学基金（221RC449）和海南大学高层次人才科研启动基金（KYQD(ZR)-23069，KYQD(ZR)-23169，KYQD(ZR)-20008）的支持。

文章链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202408213