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Urea Chelation of I+ for High-Voltage Aqueous Zinc–Iodine Batteries

水溶液 化学 电化学 电解质 歧化 无机化学 尿素 螯合作用 电极 物理化学 有机化学 催化作用
作者
Cuicui Li,Haocheng Li,Xiuyun Ren,Liang Hu,Jiaojiao Deng,Jinhan Mo,Xiaoqi Sun,Guohua Chen,Xiaoliang Yu
出处
期刊:ACS Nano [American Chemical Society]
卷期号:19 (2): 2633-2640 被引量:47
标识
DOI:10.1021/acsnano.4c14451
摘要

The multielectron conversion electrochemistry of I-/I0/I+ enables high specific capacity and voltage in zinc-iodine batteries. Unfortunately, the I+ ions are thermodynamically unstable and are highly susceptible to hydrolysis. Current endeavors primarily focus on exploring interhalogen chemistry to activate the I0/I+ couple. However, the practical working voltage is below the theoretical level. In this study, the I0/I+ redox couple is fully activated, and I+ is efficiently stabilized by a chelation agent of cost-effective urea in the conventional aqueous electrolyte. A record-high plateau voltage of 1.8 V vs Zn/Zn2+ has been realized. Theoretical calculations combined with spectroscopy studies and electrochemical tests reveal that the coordination between the electron-deficient I+ and the electron-rich O and N atoms in urea molecules is thermodynamically favorable for I0/I+ conversion and inhibits the self-disproportionation of I+, which in turn promotes rapid kinetics and excellent reversibility of I0/I+. Moreover, urea decreases the water activity in the electrolyte by forming hydrogen bonds to further suppress the hydrolysis of I+. Accordingly, a high specific capacity of 419 mAh g-1 is delivered at 1C, and 147 mAh g-1 capacity is retained after 10,000 cycles at 5C. This work offers effective insights into formulating halogen-free electrolytes for high-performance aqueous zinc-iodine batteries.
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