Discovery of High-Capacity Asymmetric Three-Stage Redox Reactions of Iodine for Aqueous Batteries

化学 碘 氧化还原 水溶液 阶段(地层学) 无机化学 有机化学 生物 古生物学
作者
Zehui Xie,Zaichun Liu,Hong Hu,Kai Du,Ruihao Luo,Muhammad Sajid,Zhengxin Zhu,Taoli Jiang,Mingming Wang,Yahan Meng,Weiping Wang,Jingwen Xu,Yuxiang Hu,Wei Chen
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
卷期号:147 (25): 21686-21696 被引量:43
标识
DOI:10.1021/jacs.5c03581
摘要

Iodine-based batteries have emerged prominently in grid energy storage due to their cost-effectiveness and versatility. However, traditional iodine cathodes featuring I – /I 0 mechanisms struggle to meet the current demands for high-energy-density batteries, considering their limited specific capacity and voltage. Here, we discover a unique eight-electron-transfer asymmetric three-stage conversion of iodine facilitated by the formation of interhalogens. This mechanism involves a three-stage sequential charging from I – /I 0, to I 0 /ICl 2 –, and finally ICl 2 – /ICl 4 –, with the prolonged third charging plateau significantly enhancing the specific capacity to 809.2 mAh g –1 of I 2 . During discharge, the cathode undergoes highly reversible but asymmetric conversions, with ICl 3 – as the intermediate. The mechanism is achieved by a regulated “chloride-in-acid” electrolyte with interlocking H-bond structures, which effectively reduces the free water content and stabilizes the interhalogen species. The iodine–hydrogen gas battery demonstrates stable cycling performance with an average Coulombic efficiency exceeding 98.2% for over 1000 cycles and an increased voltage from 0.47 to 0.75 V compared with the I – /I 0 mechanism, which can be further enhanced to 1.43 V by utilizing zinc anode. This study broadens the application of interhalogen chemistry into conversion reactions, presenting great prospects for high-energy-density aqueous batteries.
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