近日，我室陈嘉嘉教授课题组在锌碘液流电池的研究中取得重要进展，相关研究成果以“The Halogen Bond Chemistry in Zn-I Redox Flow Batteries”为题发表在ACS Energy Letter上（DOI:10.1021/acsenergylett.5c03547）。

为解决可再生能源间歇性问题的大规模储能需求，氧化还原液流电池（RFBs）凭借功率与能量解耦的特性展现出独特优势。碘基液流电池由于碘元素适用于多电子转移反应，结合其高溶解度、快速动力学特性、低成本及相较溴氯更优的环保性，因此备受关注。然而传统碘电池在充电过程中会形成碘化物（I₃−）导致实际容量仅为理论值的三分之二，严重制约了能量密度。实现容量的根本性突破，需要驱动碘超越传统的反应迈向涉及I⁺等高价位态的多电子转移过程。这亟需通过精准的溶液环境调控来稳定高活性碘中间体、抑制副反应并促进可逆转化。

由此，陈嘉嘉教授课题组提出并验证了一种“动态液相稳定化”的高浓度混合卤化物电解质策略。其中卤素离子不仅作为配体，更充当液相反应介质。该介质改变反应路径并稳定关键中间体，确保整个多电子转移过程在液相中高效可逆地进行，使其与流动电池架构具有根本兼容性。通过理论模拟与原位拉曼光谱的结合，揭示了卤素离子的电子给体能力与供受体相互作用是调控碘氧化还原化学的关键因素。研究证实多卤化物中间体（IX2−）能稳定碘离子（I+）物种，促进完整的两电子氧化还原反应。关键在于，溴离子（Br−）通过增强I+···Br−卤键赋予更高稳定性这是由于其弥散的4p轨道与I+的空5p轨道重叠度，远高于氯离子（Cl−）的3p轨道。锌碘氧化还原液流电池在30 mA cm−2电流密度下，以1.5 M I−浓度实现75.7 Ah L−1的高容量及83.5 Wh L−1的能量密度。在40 mA cm−2条件下，以1 M I−浓度完成100次循环（333小时）仍保持卓越的循环稳定性。

该工作是在陈嘉嘉教授和威斯康星大学麦迪逊分校冯大卫教授指导下完成。我院2023级博士生廖芯和2023级博士生张曙为论文的共同第一作者。硕士生陈春君和工程师冯柳宾参与了部分研究工作。该研究工作得到中央科技委攻坚专项（LDES150000、GJ15020403）、国家自然科学基金委（22441030、22393901、22021001、22272143）、国家重点研发计划（2021YFA1502300）、中央高校基本科研业务费专项资金（20720250005）以及福建省自然科学基金委 （2024J01213135）的资助。

文章链接： https://doi.org/10.1021/acsenergylett.5c03547