碳—卤素键取代使非腐蚀性稀释电解质中碘实现高利用率的四电子氧化还原

为何更安全、更耐用的电池重要

廉价且安全地存储可再生能源是迈向低碳未来的主要难题之一。水系锌–碘电池因采用丰富的材料和基于水的电解质而具有吸引力，避免了易燃的有机液体。然而，当试图达到理论允许的能量存储时，它们往往受制于效率低和寿命短的问题。本研究提出了一种巧妙的分子方法，使这些电池在不采用苛刻腐蚀性盐溶液的情况下，能够利用更多的碘能量。

当前锌–碘电池面临的挑战

理论上，碘可以参与四电子反应，这意味着每个碘单元可以存储大量电荷。但在实践中，大多数锌–碘电池每个碘原子只使用约两个电子。要实现四电子反应，必须在溶液中形成高度活性的碘物种，这通常通过在高浓度卤化物盐（如溴化物或氯化物）中稳定它们来实现。这类高浓度电解质具有腐蚀性，会侵蚀锌电极、缩短电池寿命并增加成本。更糟的是，这些活性碘物种易与水反应，生成在电极间漂移、浪费存储能量的“穿梭”分子，尤其是在碘负载量高的时候——恰恰是大规模储能最需要高负载的时候。

带有简单改动的新型助剂分子

作者并没有通过使溶液更强烈来解决问题，而是重新设计了碘周围的局部化学环境。他们在标准硫酸锌溶液中溶解了一定量、价格低廉的有机分子2‑溴乙酰胺（BrAce）。BrAce 含有连接在酰胺基上的碳—溴键，具有轻微吸电子作用。通过精细调控的电子效应，这种分子在电池工作过程中可以短暂与碘交换配位。系统不再主要依赖大量卤化物形成简单的卤素互配对（如 IBr），而是形成一种瞬态的三原子单元，使碘嵌入有机骨架。这种碳—卤素“取代”途径改变了碘储放和释放电荷的方式。

新途径如何驯服活性碘

研究团队使用一系列原位表征工具——拉曼和红外光谱、核磁共振、X 射线光电子能谱、紫外—可见吸收和质谱——追踪电池充放电过程中的物质变化。他们显示，BrAce 在简单的碳—溴形式与碳—碘—溴形式之间可逆重复切换，伴随碘在不同电荷态之间转移。这种重排降低了关键反应步骤的能垒，使碘更容易在低价态与高价态之间跃迁。同时，将高度带电的碘“固定”在有机片段上使其更不易被水攻击，大大抑制了会导致自放电和腐蚀的多碘化物与多溴化物的生成。

从分子控制到实际性能

这些分子层面的优势转化为显著的电池性能提升。在含 0.7 M BrAce 的稀释、非腐蚀性电解质中，锌–碘电池即便在正极碘负载较高（高达每平方厘米 24 毫克）时也能维持真正的四电子碘循环。在快充放条件下，这些电池实现了理论碘容量的 55–80% 的利用率，远高于使用传统溴盐的可比系统，同时保持稳定的电压平台，表明反应健康。电池在高电流下能经受数千到上万次循环，且具实际电极厚度和低电解液体积的软包电池原型在数百次循环后仍保持大部分容量。与此同时，锌金属表面更为光滑、坑蚀更少，表明腐蚀有所降低。

对未来电网储能的意义

对非专业读者而言，结论是研究者找到了让一种简单有机添加剂在水系锌电池中“牵着手”活性碘的方法。该添加剂在恰当时刻短暂与碘成键，使电池能够在不依赖苛刻高浓度盐的情况下安全地提取几乎全部碘的潜在电荷。其结果是更廉价、毒性更低且更耐用的电池化学体系，同时仍具高能量密度。除了碘之外，这一设计原理——利用精心调谐的碳—卤素键来引导活性卤素物种的行为——可能为一类安全、高性能的水系电池提供灵感，适合大规模可再生能源储存。

引用: Shi, Z., Tang, Y., Wei, Y. et al. Carbon-halogen bond substitution enables high-utilization four-electron iodine redox in noncorrosive dilute electrolytes. Nat Commun 17, 3048 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-69743-z

关键词: 锌碘电池, 水系电解质, 有机添加剂, 卤素氧化还原, 电网储能