【摘要】 郑州大学郭玮教授团队在《JACS》发表研究，开发吩嗪-碘电荷转移复合物正极，实现水系锌电池高动力学和厚密电极。科学指南针提供PDOS计算支持，助力电子结构解析。

郑州大学郭玮教授团队在《Journal of the American Chemical Society》发表创新研究成果，通过吩嗪-碘电荷转移复合物设计，成功开发高性能水系锌-有机碘电池。科学指南针为本研究提供PDOS计算支持，助力电子结构分析与性能优化。

 

研究背景与锌电池挑战

水系锌离子电池凭借高安全性、低成本和环境友好性，在电网级储能领域展现应用潜力。然而，正极材料瓶颈严重制约其进一步发展，亟需创新解决方案。

​核心技术瓶颈：​​

  • 有机正极材料导电性差、活性物质易溶解

  • 吩嗪类化合物存在分子优化与电压维持矛盾

  • 碘正极受多碘化物穿梭效应制约

  • 传统电极面容量低（<1 mAh cm⁻²），限制能量密度

  • 循环寿命和库仑效率有待提升

正极材料结构和性质的表征

 

创新方法：电荷转移复合物设计

研究团队创新性地利用吩嗪（PNZ）与碘（I₂）电荷转移相互作用，构建PNZ-I₂复合物，实现无机碘有机化，突破传统正极材料限制。

​技术突破要点：​​

  • PNZ作为电子给体向I₂分子间电荷转移

  • 形成N-H⋯I氢键增强结构稳定性

  • 电荷离域效应提升电导率

  • 协同解决导电性、溶解性和电压稳定性平衡

正极材料PNZ和PNZ−I2的动力学评估

 

材料表征与性能验证

通过系统表征证实PNZ-I₂电荷转移复合物结构特征和性能优势，为应用奠定基础。

​关键发现：​​

  • 电子云重排和带隙窄化提升电导率

  • N-I相互作用增强界面稳定性

  • 氧化还原反应可逆性显著提高

  • 电容控制主导电荷存储机制

PNZ−I2阴极的氧化还原机理、中间产物和光谱表征

 

理论计算与机理分析

科学指南针支持的PDOS计算深入揭示PNZ-I₂复合物电子结构变化和性能增强机制。

​计算研究发现：​​

  • PDOS分析PNZ与PNZ-I₂电子态分布

  • 带隙计算证实电荷转移效应

  • 电子结构优化提升导电性能

  • 理论计算指导材料设计方向

 

电化学性能与稳定性

Zn//PNZ-I₂电池展现卓越的电化学性能，在高负载、宽温域下保持稳定运行。

​性能卓越表现：​​

  • 比容量254 mAh g⁻¹，能量密度226 Wh kg⁻¹

  • 2100次循环后容量保持率95%

  • 4500次循环后保持92%容量

  • -40°C至50°C宽温域稳定工作

  • 面容量＞3 mAh cm⁻²，提升能量密度

正极材料的电化学性能

 

软包电池与应用验证

成功制备多种规格软包电池，验证PNZ-I₂材料实际应用潜力。

​产业化进展：​​

  • 软包电池容量0.47-1.1 Ah

  • 高面载量（60 mg cm⁻²）稳定运行

  • 放大生产工艺成熟

  • 低成本适合规模化储能

软包电池中的实用化验证

 

总结与展望

PNZ-I₂电荷转移复合物为水系锌电池正极材料提供创新解决方案，推动高性能储能系统发展。

​创新价值总结：​​

  • 分子层面电荷转移化学解决关键挑战

  • 高面容量正极提升电池能量密度

  • 科学指南针计算支持机理解析

  • 为可持续储能系统指明方向

​应用前景：​​

  • 电网级规模化储能应用

  • 低成本高安全储能设备

  • 宽温域极端环境适用

  • 产业化放大潜力显著

论文信息：Journal of the American Chemical Society

DOI：10.1021/jacs.5c13131

​科学指南针计算服务​：提供PDOS计算与电子结构分析支持，助力电池材料设计与性能优化。了解更多：https://www.shiyanjia.com/simulate.html【科学指南针·服务声明·2025】