大力发展新能源是国家实现“碳达峰、碳中和”目标的关键战略。研究开发高安全，低成本水系储能电池对于实现新能源电源大规模并网应用具有重要意义。碘元素不仅与人类健康息息相关，而且还具有良好的氧化还原活性(I0/I-, ~0.54 V vs. SHE，211 mAh g-1)。碘的氧化还原电位适中，理论比容量高，转化反应动力学快，因此基于碘转化化学的水系电池备受关注。碘元素有7个价电子[Kr]4d105s25p5，具有不同的价态(-1, 0,+1, +3, +5, +7)，因而可以实现多电子转移I+/I0(0.99 V vs. SHE)和IO3-/I0 (1.15 V vs. AgCl/Ag)，这可以进一步提高电池的能量密度。然而，水系碘电池的大规模应用仍然面临着一些棘手的问题，如活性物质碘的热稳定性差，导电率低以及多碘化物的穿梭效应等，亟待科研工作者继续攻坚克难。近日，中国计量大学马廷丽教授和广东工业大学林展教授课题组系统地总结了碘转化化学在水系电池中的挑战、策略及展望。
其成果以题为“Iodine Conversion Chemistry in
Aqueous Batteries: Challenges, Strategies, and Perspectives”在国际知名期刊Energy Storage Materials上发表。综述第一作者为中国计量大学青年教师严立京博士，通讯作者为马廷丽教授和林展教授，通讯单位为中国计量大学与广东工业大学。综述第二部分从碘的物理特性和碘转化化学两方面介绍了水系碘电池面临的挑战，并概括了对应的解决策略。碘的物理特性方面，利用宿主材料与碘分子之间的强物理或化学作用，可以提高碘基电极的热稳定性；使用导电性高的宿主材料，以及通过碘与有机小分子或聚合物形成电荷转移复合物，都可以显著提高碘基电极的导电性。碘转化化学方面，采用宿主吸附，隔膜阻拦和电解液限制等手段，可以有效解决多碘化物的穿梭效应；利用碘的多电子转移氧化还原电对，以及匹配合适的负极材料，都可以提高电池能量密度；设计导电性高，孔结构丰富及具有催化位点的宿主，可以提高碘转化动力学。综述第三部分到第六部分是上述策略的具体展开。基于上述分析，宿主材料的选择与设计对水系碘电池性能的提升至关重要。因此综述第三部分着重整理分析了各类宿主材料，包括碳材料、导电聚合物、有序多孔框架材料、MXenes和碘的电荷转移复合物等。第四部分介绍了电解液优化抑制多碘化物的穿梭，稳定I+离子以提高能量密度及实现特殊场景的应用。第五部分介绍了隔膜工程抑制多碘化物的穿梭。第六部分介绍了合适的负极材料。第七部分为水系碘电池的结论与展望。综述还对部分突出的水系碘电池研究成果的关键参数及性能做了对比。图3. 碳宿主材料的孔径调控，掺杂及表面官能团修饰
图4. 导电聚合物宿主材料
图5. 有序多孔框架宿主材料
图7. 电解液优化抑制多碘化物穿梭，稳定I+以及实现特殊场景的应用
图8. 隔膜工程阻止多碘化物的穿梭
图9. 合适的负极材料，对应的问题及策略
图10. 水系碘电池的展望
综述对水系碘电池未来发展的潜在方向提出了三点展望。(1)碘宿主材料的进一步研究：结合碳材料与其他宿主材料，充分发挥协同效应；COFs具有超强碘吸附能力和本身氧化还原活性；其他宿主材料如具有催化活性的金属氧化物和种类丰富的碘电荷转移复合物，值得进一步探索。(2)原位表征手段的使用：原位紫外可见光光谱，原位拉曼光谱及电化学石英微晶天平，设备相对简单，成本相对可控，是研究揭示碘转化化学机理的强有力手段。(3)关键评价参数：研究者应在论文中提供详细的关键参数及方法；提高碘的活性物质载量；电池长循环性能评价建议用0.5-2C的电流；电解液用量需要控制；自放电评价标准需要统一；研究库伦效率需用小电流等。
尽管近年来水系碘电池的研究文章迅速增加，但水系碘电池的发展仍处于研究周期的早期阶段，机遇与挑战并存，借鉴锂硫电池领域及放射性碘吸附领域，对宿主材料的设计和水系碘电池的发展具有重要的指导意义。
Lijing Yan, Shaojian Zhang,
Qiaoling Kang, Xianhe Meng, Zeheng Li, Tiefeng Liu, Tingli Ma*, Zhan Lin*.Iodine Conversion Chemistry in Aqueous Batteries: Challenges, Strategies, and
Perspectives. Energy Storage Materials, 2022.
https://doi.org/10.1016/j.ensm.2022.10.027
中国计量大学讲师，硕士生导师。2018年博士毕业于浙江大学化学工程与生物工程学院。主要从事电化学储能材料与机理的研究，以第一作者、通讯作者身份在Nano Energy, Carbon, ACS Appl. Mater. Inter.，J. Power Sources等期刊上发表论文11篇，累计引用760余次。博士生导师，浙江省长期创新人才。博士毕业于日本九州大学，目前在中国计量大学和日本九州工业大学带领研究团队开展太阳能电池、金属离子电池、水系电池、燃料电池等新材料的开发和应用；主持国家自然科学基金重大研究计划项目、科技部863计划等项目10余项；以第一作者、通讯作者在J. Am. Chem. Soc., Angew. Chem. Int. Ed.，Adv.
Mater.，Energy Environ. Sci.等国际期刊上发表论文200余篇，总引用18000余次，H指数69。博士生导师，国家海外高层次引进人才。博士毕业于美国北卡州立大学，目前为广东工业大学电化学纳米能源工程实验室负责人。长期在能量存储和转化领域从事材料制备及应用研究，在新型储能及催化材料领域取得了系列创新性成果。迄今为止，共发表SCI学术论文120多篇，其中有50多篇文章发表在影响因子IF>10的学术期刊上；近5年来，共发表学术论文55篇，其中有32篇以第一作者、通讯作者身份发表在影响因子IF>10的学术期刊上，包括Chem. Rev., Energy Environ.
Sci., Nat. Commun., Angew. Chem. Int. Ed., Adv. Mater.等，申请中国专利10余件(授权5件)，出版3章节中英文著作，总引用12000余次，H指数53。 本公众号致力于报道水系储能前沿领域的相关文献快讯，如有报道错误或侵权，请尽快私信联系我们，我们会立即做出修正或删除处理。感谢各位读者的支持与宣传，同时欢迎广大科研人员投稿与合作，具体事宜可发送邮件至aqueousenergystor@126.com，或添加下方小编微信，我们将在第一时间回复您。