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東北師大JACS：Janus粘合劑化學(xué)同步增強(qiáng)碘吸附和氧化還原動(dòng)力學(xué)實(shí)現(xiàn)可持續(xù)水性 Zn-I2電池

目前，儲(chǔ)能技術(shù)創(chuàng)新的研究重點(diǎn)已逐漸轉(zhuǎn)向兼具高性能和可持續(xù)性的下一代水系電池。然而，水系Zn–I₂電池因其成本效益和環(huán)保特性而被認(rèn)為新一代儲(chǔ)能候選者。然而，在電池循環(huán)過程中，多碘化物嚴(yán)重的穿梭效應(yīng)阻礙了它們的商業(yè)應(yīng)用。

在此，東北師范大學(xué)吳興隆、曹峻鳴等人設(shè)計(jì)并制備了一種基于殼聚糖(CTS)分子的Janus功能粘結(jié)劑。研究表明，極性末端基團(tuán)賦予混合粘合劑優(yōu)良的機(jī)械性;同時(shí)，其對(duì)I₂的物理吸附動(dòng)力學(xué)和氧化還原動(dòng)力學(xué)也有增強(qiáng)作用。

結(jié)果顯示，該粘結(jié)劑可高效緩解多碘化物的穿梭效應(yīng)，CTS電池表現(xiàn)出卓越的電化學(xué)存儲(chǔ)能力。在電流密度為0.2 mA g^-1的條件下1500次循環(huán)后，該電池仍具有144.1 mAh g^-1的高容量。此外，靜置24 h后，其庫侖效率可保持在98.8%。更重要的是，CTS分子具有良好的生物降解性和可重復(fù)利用性;在碘離子重新加載后，再生裝置的容量可達(dá)73.3 mAh g^-1且可循環(huán)1000次以上。

圖1. Janus功能粘結(jié)劑的制備流程

總之，該工作開發(fā)了一種基于CTS的低成本、多功能水性粘合劑，并將其用于制備高質(zhì)量的碘正極。由于 CTS 優(yōu)異的成膜性能，該粘合劑能夠?qū)崿F(xiàn)穩(wěn)定且均勻分散的碘負(fù)載。此外，多重氫鍵網(wǎng)絡(luò)為CTS粘合劑提供了良好的機(jī)械性能以承受電極膨脹效應(yīng)，并且其具有豐富極性官能團(tuán)的CTS雙螺旋結(jié)構(gòu)促進(jìn)了碘的物理和化學(xué)吸附以及氧化還原動(dòng)力學(xué)。

這使得 ZIB 能夠表現(xiàn)出高容量和循環(huán)穩(wěn)定性（在 0.2 A g^-1下循環(huán) 1500 次后，容量仍為 144.1 mAh g^-1）。更獨(dú)特的是，CTS可降解、可回收，實(shí)現(xiàn)了ZIB的可持續(xù)發(fā)展。因此，該工作首次嘗試從粘合劑的角度克服ZIBs的穿梭效應(yīng)，為未來提高ZIBs的性能提供了新的思路。

圖2. 電極結(jié)構(gòu)及電池性能

Janus Binder Chemistry for Synchronous Enhancement of Iodine Species Adsorption and Redox Kinetics toward Sustainable Aqueous Zn–I2 Batteries，Journal of the American Chemical Society 2024 DOI: 10.1021/jacs.3c12638

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