Solvent Chemistry Manipulated Iodine Redox Thermodynamics For Durable Iodine Batteries

化学 碘化物 氧化还原 电解质 乙二醇 溶剂 溶剂化 溶解 水溶液 无机化学 电子转移 电化学 光化学 有机化学 物理化学 电极
作者
Tingting Liu,Chengjun Lei,Wei Yang,Huijian Wang,Wenjiao Ma,Jinye Li,Xiao Liang
出处
期刊:Angewandte Chemie [Wiley]
卷期号:64 (18): e202422163-e202422163 被引量:38
标识
DOI:10.1002/anie.202422163
摘要

The diverse valences of iodine enable it with multi-electron transfer capability for energy dense batteries. However, previous studies indicate that the primary I-/I2 redox couple exhibits distinct behaviors depending on electrolyte choice, with the mechanistic basis of aqueous versus nonaqueous systems remaining unclear. Here, we elucidated the solvent effect on iodine redox, particularly focusing on polyiodide formation and their molecular interaction correlations. We validate that a thermodynamically one-step conversion reaction (I2 ↔ I-) occurs in the protic solvents, while it is a two-step transformation (I2 ↔ I3 - ↔ I-) in aprotic solvents. This distinction arises from strong electron-donating properties in aprotic solvents that facilitate charge transfer with iodine, promoting complexation with iodide as solvent⋅I3 - species. Conversely, protic solvents form additional hydrogen bonds with iodine, alleviating polarization and reducing interaction with iodide. Furthermore, to address the limitations of single protic electrolytes - characterized by sluggish dissolution-precipitation and slow ion migration rates - we propose a hybrid electrolyte combining water and ethylene glycol. These hybrids enhance iodine redox kinetics, inhibits I3 - generation, and modifies the Zn2+ solvation structure to mitigate zinc anode corrosion and dendrite. The Zn-I2 batteries demonstrates exceptional long-term cycling stability in a wide temperature range, highlighting its potential for practical applications.
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