【研究背景】

锂离子电池具有高能量密度，长循环寿命和宽工作温度等优势，是目前最具应用前景的电化学储能设备。然而其锂离子脱嵌的储能机制通常伴随着缓慢的动力学过程，使得锂电池呈现出较低的功率密度。锂碘电池由于具有快速的氧化还原电对(I- /I3-)而有望突破传统锂电池缓慢动力学的限制, 其理论比容量高达211 mAh·g-1。同时，这些碘离子 (I- /I3-)为快速吸附脱附的赝电容储能提供了契机。然而，与锂硫电池相类似，锂碘电池也存在以下问题：1）碘的高度溶解性导致其较低的利用率；2）充放电过程中，碘的“穿梭效应”将产生一系列的副反应和腐蚀金属锂负极表面。在碘正极和隔膜之间引入间层是解决上述问题的有效手段之一，如图1所示。间层可以有效的将溶解的碘离子限制在正极区域内，从而避免活性物质的损失和穿梭效应的发生。更重要的是，这些溶解的碘族群(I-, I2和I3-)可以在间层表面通过快速吸附脱附产生赝电容储能。事实上，氮杂石墨烯，碳纳米管和MXene (Ti3C2Tx)等材料已经作为间层被广泛研究，但这类材料通常伴随着复杂的制备过程，昂贵的成本，不利于锂碘电池的商业化应用。

图1：锂碘电池中限制层的储能机制

【成果展示】

澳大利亚格里菲斯大学张山青教授课题组以咖啡作为前驱体，采取“盐”热处理的方式构建了蜂巢结构的碳材料，并将其作为限制层引入到碘正极和隔膜之间。间层拥有发达的拓扑骨架结构，高的反应面积，丰富的杂原子和优异的导电性。正是由于间层的这些独特性质，使得碘族群(I-,I2和I3-)可以在间层表面通过物理化学吸附进行快速脱嵌，继而产生赝电容和电化学转换反应的协同储能机制。这种协同储能机制使得锂碘电池实现了高能量，高功率和长循环寿命的特性。在10 C（1 C=211 mA g-1）的倍率下，可以获得224.5 mAh g-1的可逆容量。令人振奋的是，当倍率提到到50C时，该电池在稳定循环4000周之后，其放电比容量依然可以维持在120.2 mAh g-1。如此优异的电化学性能主要归结于间层对碘离子的吸附（孔径物理吸附和杂原子的化学吸附）。基于此，作者采用密度泛函理论计算揭示了杂原子基团和LiI3之间的强结合，解释了其优异的化学吸附机制。

【内容简介】

图2：功能性碳间层的合成示意图

该工作从锂碘电池存在本征问题出发，以咖啡作为前驱体，通过“盐”热处理的方式构建了功能性的碳间层材料，从而有效的抑制了碘的溶解和穿梭效应，并实现了锂碘电池高能量和高功率输出的目的。功能性碳间层的设计方法新颖，即通过晶体生长过程中Na+和Cl-的团聚构建蜂窝状结构，为多孔材料的合成提供了新的思路。同时，咖啡成本低廉，原材料丰富，可用于大规模的生产。