摘要：

水系可充电锌-碘（Zn-I₂）电池作为一种有前景的能源存储解决方案，具有价格低廉、高能量密度和增强安全性等优点。然而，碘阴极的热力学不稳定性以及锌阳极的不良界面反应导致了慢速的氧化还原动力学、多次碘化物穿梭和锌枝晶等问题。本文回顾了Zn-I₂电池的基本工作原理，描述了碘转化和锌剥离-镀覆过程中的科学问题，并详细介绍了解决Zn-I₂电池问题的具体策略，重点是电解液的优化。鉴于水系Zn-I₂电池仍处于初期阶段，本综述旨在为优化其设计和推动其实际应用提供见解。

文章简介：

严峻的环境污染问题和迅速增长的能源需求促使人们对电化学储能和转换系统进行了广泛研究，主要针对电动汽车、便携电子设备和大规模能源存储等应用（见图1A）。锂离子电池由于其优越的能量密度和出色的循环稳定性，已成为能源储存应用的主导技术。然而，成本和安全性问题严重阻碍了其进一步应用。目前，锌作为多种电池系统的关键组成部分，例如锌离子电池、锌空气电池、锌-二氧化碳电池、锌基流动电池和柔性锌电池。与锂基电池相比，锌基电池在成本效益和安全性方面表现更佳（见图1B）。在锌基电池中，可充电水系Zn-I₂电池因其本质上的安全性、快速的氧化还原化学反应和低成本而越来越受到重视。碘在电池应用中表现出具有竞争力的材料成本，因为它在海洋中储量丰富。与溴相比，碘的挥发性、腐蚀性和毒性显著降低。值得注意的是，它通过提高转化效率和反应动力学显著提升了电化学性能。碘能够在高输出电压下表现出比之前报道的材料（如MnO_x、VO_x、有机化合物或普鲁士蓝类似物）更高的容量。

图1. (A) 2020至2030年间，能源存储系统、移动电子设备和电动汽车的预测能量存储需求（GWh）。此图已获授权使用，版权归英国皇家化学学会所有，2024年。(B)针对多个指标，锌基电池与锂基电池的比较。此图已获授权使用，版权归英国皇家化学学会所有，2024年。

许多策略已被开发以增强锌-碘电池的性能，包括阴极框架工程、隔膜改性、电解液优化和阳极保护方法，近年来取得了显著进展。尽管付出了巨大的努力并取得了一定成就，Zn-I₂电池系统仍处于研究的探索阶段。在充电过程中，溶解的多碘化物的无控制迁移导致了一系列臭名昭著的副作用。电化学过程中生成的氧化还原产物具有很高的溶解性，从阴极-电解液界面迁移到体电解液中，造成过量的电荷积累和降低的电荷转移效率。此外，这些产物能够自主高效地穿过隔膜朝锌电极迁移，导致显著的电极材料损失，降低储能能力，并引起自放电。因此，这些缺陷阻碍了Zn-I₂电池系统的实际应用（见图2）。

图2. 锌-碘电池各方面调节方法的示意图

各种方法已被应用于抑制I₃^-的不可控自穿梭及锌表面的副作用，例如将多碘化物限制在功能化多孔碳、石墨烯和MXenes的多孔基材中，这在一定程度上有助于促进氧化还原反应动力学。王等人引入了一种极为稳定的Zn-I₂电池，采用单原子Fe-N-C嵌入的高比表面积碳（HC@FeNC）作为核心壳阳极材料，能够促进l^-/I₃^-/l⁰转变。Fe-N₄基团与多碘化物建立了双重化学配位和物理吸附，通过强界面相互作用显著减轻了碘穿梭效应（见图3A），从而显著提高了库仑效率（见图3B、C）。水凝胶电解液或高浓度电解液也可以构建以解决此类问题。季等人开发了一种基于水热还原石墨烯氧化物（rGO）和高浓度氯化锌盐包装水系电解液的先进锌-碘电化学储能系统。rGO的三维微孔结构和优异的电导性协同提升了碘的利用效率。盐包装水系电解液有效减缓了三碘化物的扩散，如UV光谱所示（见图3D），使电化学循环在50 mA cm⁻²下稳定进行超过2000个循环（见图3E）。

图3. (A) HC@FeNC合成的示意图，作为高效阴极材料用于高性能电解Zn-I₂电池。(B)基于HC@FeNC、HC@NC和HC阳极的Zn-I₂电池的循环伏安曲线。

(C)基于HC@FeNC、HC@NC和HC阴极的Zn-I₂电化学系统在3 A g⁻¹下的长期循环性能。此图已获授权使用，版权归Wiley所有，2024年。

(D)不同阶段电解液的UV光谱特征。(E) Zn//rGO-I₂在50 mA cm⁻²下进行长循环的表现。此图已获授权使用，版权归Wiley所有，2023年。

本文对锌-碘电池的进展进行了深入调查，重点关注碘转化的电化学及其工作机制。首先介绍了锌-碘电池的基本工作原理，详细讨论了阴极碘的氧化还原转变、锌负极的电化学特性以及锌-碘电池面临的科学问题。总结了多种聚焦于电解液优化的可行解决方案，并结合近期成果进行分析。此分析旨在通过电解液设计为锌-碘电池的优化建立基础框架，同时激励创新方法，以实现高能量密度的锌-碘电池配置。

文章结论：

锌-碘电池因其卓越的理论能量密度、高安全性、低成本以及适应水性电解液系统而在近年来成为一种有前景的能源存储技术。尽管锌-碘电池具有诸多优点，其商业化部署仍面临一系列挑战，尤其是在电解液优化方面（见图4）。电解液的选择和优化直接影响电池的性能，包括锌阳极的稳定性、循环性能的稳定性、能量密度以及电池的充放电效率。然而，传统电解液系统在抑制穿梭现象方面效果有限，其高浓度配方常常导致离子传输能力下降。电解液系统在碘转化的效率和稳定性中发挥着关键作用。

图4. 锌-碘电池电解液发展趋势的示意图

本文通过电解液优化回顾了锌-碘电池的当前研究进展和面临的问题，包括电解液添加剂、凝胶电解液、固体电解液等。锌-碘电池功能的核心决定因素在于电解液工程。尽管大量研究已阐明了锌阳极降解和电解液优化策略在碘氧化还原介导中的挑战，但在实现全面系统可靠性方面仍存在重要空白。未来的研究应聚焦于克服这些挑战，以促进锌-碘电池在实际应用中的广泛部署。

文章信息：

Electrolyte Design Toward High-Performance Zinc-Iodine Batteries: Progress, Challenges, and Prospects

Fei Huang, Weihua Xu, Yang He, Dongdong Li, Yi Tan, Huibing He