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High-Performance Zn–I2 Batteries Enabled by a Metal-Free Defect-Rich Carbon Cathode Catalyst

材料科学 阴极 催化作用 阳极 电化学 碳纤维 化学工程 水溶液 无机化学 电极 复合材料 物理化学 复合数 有机化学 化学 工程类
作者
Shanshan Niu,Bo Zhao,Dong Liu
出处
期刊:ACS Applied Materials & Interfaces [American Chemical Society]
卷期号:15 (21): 25558-25566 被引量:8
标识
DOI:10.1021/acsami.3c03134
摘要

Aqueous iodine-zinc (Zn-I2) batteries based on I2 conversion reaction are one of the promising energy storage devices due to their high safety, low-cost zinc metal anode, and abundant I2 sources. However, the performance of Zn-I2 batteries is limited by the sluggish I2 conversion reaction kinetics, leading to poor rate capability and cycle performance. Herein, we develop a defect-rich carbon as a high-performance cathode catalyst for I2 loading and conversion, which exhibits excellent iodine reduction reaction (IRR) activity with a high reduction potential of 1.248 V (vs Zn/Zn2+) and a high peak current density of 20.74 mA cm-2, superior to a nitrogen-doped carbon. The I2-loaded defect-rich carbon (DG1100/I2) cathode achieves a large specific capacity of 261.4 mA h g-1 at 1.0 A g-1, a high rate capability of 131.9 mA h g-1 at 10 A g-1, and long-term stability with a high retention of 88.1% over 3500 cycles. Density functional theory calculations indicated that the carbon seven-membered ring (C7) defect site possesses the lowest adsorption energies for iodine species among several defect sites, which contributes to the high catalytic activity for IRR and the corresponding electrochemical performance of Zn-I2 batteries. This work offers a defect engineering strategy for boosting the performance of Zn-I2 batteries.
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