具有Cl0到Cl–氧化還原反應(ClRR)的氯基電池由于其高氧化還原電位和大理論容量而有望用于高性能儲能。然而,ClRR固有的氣液轉換特性以及較差的Cl固定性會導致Cl2泄漏,降低電池的可逆性并引發安全問題。
在此,香港城市大學支春義團隊利用硒基有機分子二苯基二硒化物(di-Ph-Se)作為Cl錨定劑,通過硫族-鹵素配位化學實現原子級的Cl固定,實現了具有超低Cl的高度可逆的ClRR和顯著的放電電壓(1.87 V vs Zn2+/Zn)。兩個氧化的Cl0錨定在單個Ph-Se上,以及Se的多價轉化有助于六電子轉化過程,實現高達507 mAh g-1的高放電容量、平均電壓為1.51 V,庫侖效率高達99.3%,能量密度高達665 Wh Kg-1。
基于所開發的具有ClRR的di-Ph-Se電極的優異可逆性,其表現出卓越的倍率性能(5 A g-1下為205 mAh g-1)和循環性能(500次循環后容量保持率為77.3%)。值得注意的是,該軟包電池具有高達6.87 mAh cm-2的創紀錄面積容量和自放電性能,展示了實際應用的巨大潛力。
圖1.?含ClRR的Zn-di-Ph-Se電池的電化學性能
總之,該工作利用雙Ph-Se作為Cl錨定劑,實現了兩個Cl0原子錨定在一個Ph-Se上的高效Cl原子固定。所得到的Zn||di-Ph-Se電池具有理想的六電子轉換過程,提供令人印象深刻的放電電壓(高達1.51V)和放電容量(507 mAh g-1)。
此外,由于穩定的分子結構和電解質,實現了非凡的循環性能,循環500次后容量保持率高達77.3%。Zn||di-Ph-Se電池具有顯著的倍率性能和高面積容量,自放電率低,靜置5天后容量保持率約為72.5%。因此,使用基于硫的錨定劑的設計策略為實現電池中可逆鹵素氧化還原化學開辟了新的途徑。
圖2. 評價Zn-di-Ph-Se電池的穩定性和實用性
Selenium-Anchored Chlorine Redox Chemistry in Aqueous Zinc Dual-ion Batteries,?Advanced Materials 2023 DOI: 10.1002/adma.202309330
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