传统的锌碘电池面临活性碘溶解和多碘化物穿梭的问题，前者会降低电池容量和使用寿命，后者则影响电池的能量效率和长期稳定使用。水系锌碘电池因其高安全性、高能量密度、低成本和环保属性而受到广泛关注。然而，活性碘溶解和多碘化物穿梭是阻碍水系锌碘电池应用的两大障碍。
为了解决这些问题，设计合成具有高比表面积、强化学吸附能力、丰富活性位点和快速碘氧化还原反应动力学的催化剂型载碘正极材料显得尤为重要。海南大学海洋科学与工程学院副教授邢振月、史晓东和教授田新龙团队研究发现，将铁钴镍原子掺杂多孔碳催化剂作为功能载体材料可以推动水系锌碘电池循环稳定工作。
研究团队通过活字印刷法，精确合成铁、钴、镍等单原子个体作为“活字”模板，选择具有高比表面积、丰富孔隙结构和良好导电性的活性炭、碳纳米管、石墨烯等合适的多孔碳材料作为“纸张”。在将二者按照一定的比例混合后，通过物理或化学方法实现单原子对多孔碳的负载。负载后的混合物经过高温处理，铁钴镍原子能够“点对点”地印刷到碳载体上，形成稳定的化学键合，从而得到铁钴镍原子掺杂多孔碳催化剂。
理论计算和实验数据表明，铁钴镍原子掺杂多孔碳催化剂具有较高的比表面积和丰富的掺杂位点，对碘的化学吸附能力强，对碘氧化还原反应动力学具有较高的催化活性。这些结构优势有效抑制了活性碘溶解和多碘化物穿梭，确保了锌碘电池持久的循环稳定性。
具体而言，催化剂的高比表面积提供了更多的活性位点，增强了与碘的相互作用，从而减少了活性碘的溶解。同时，催化剂的强化学吸附能力有效固定了碘分子，减少了多碘化物的穿梭效应，提高了电池的能量效率和循环稳定性。
此外，研究团队还对合成的催化剂进行了优化处理，使其更适合于具体的应用需求。优化后的催化剂在锌碘电池中表现出了优异的性能，不仅在高电流密度下具有高的倍率性能，还在长期循环中保持了高的容量保持率。即使在实用条件下，如低温和高倍率充放电，电池也能实现可逆运行。
这一研究成果不仅为水系锌碘电池的发展提供了新的思路，也为其他类型电池的研发提供了有益的借鉴。铁钴镍原子掺杂多孔碳催化剂的制备简单，易于大规模生产，具有良好的应用前景。未来，随着研究的深入和技术的不断成熟，这种新型催化剂有望在能源存储和转换领域发挥更大的作用。
相关研究成果Trimetallic Atom-Doped Functional Carbon Catalyst Enables Fast Redox Kinetics and Durable Cyclic Stability of Zinc-Iodine Batteries于近日发表在《先进功能材料》(ADVANCED FUNCTIONAL MATERIALS)上。
参考来源：中国科学报
