Boosting Reversible Four-Electron Redox in Aqueous Zn-Iodine Batteries with Two Halogen Ionic Additives and a N, F Codoped Carbon Cathode

卤素 电化学 氧化还原 水溶液 阴极 离子键合 电解质 化学 无机化学 溴化物 化学工程 离子 电极 有机化学 物理化学 工程类 烷基
作者
Xiangyu Kong,Jie Zhang,Xinyang Zhang,Zuoshu Wang,Dewei Wang
出处
期刊:ACS applied energy materials [American Chemical Society]
卷期号:8 (1): 601-610 被引量:2
标识
DOI:10.1021/acsaem.4c02898
摘要

Recent interest has focused on aqueous zinc–iodine batteries (AZIBs), yet their practical application is hampered by their limited capacity and energy density. To overcome these limitations, we report herein AZIBs with improved electrochemical performance by incorporating two halogen-containing ionic additives (0.1 M ZnI2 and 0.1 M ZnBr2) into the ZnSO4 electrolyte. Importantly, unlike previously reported approaches, nitrogen and fluorine codoped porous carbon (N/F-PC) can be directly utilized as the cathode material for AZIBs without the need for preloading iodine. This allows the full utilization of its rich porous structure, thereby promoting the four-electron redox reaction (based on the iodine molecule) and facilitating the conversion between I– and I+. Besides, bromide (Br–) is introduced to activate iodine species by stabilizing I+ through the formation of interhalogen bonds. The resulting AZIBs display two distinct discharge plateaus at 1.55 and 1.15 V, corresponding to reversible redox reactions among I–/I0/I+. In contrast, the control electrolyte without ZnBr2 additive exhibits only a single plateau at 1.15 V. Consequently, the N/F-PC-based AZIBs demonstrate a large specific capacity of 452.6 mAh g–1 and a huge energy density of 584.1 Wh kg–1, significantly outperforming conventional Zn-iodine batteries based on I–/I0. The strategy presented in this study may pave the way for the development of high-energy-density aqueous electrochemical storage devices.
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