研究背景

开发兼具本征安全性和经济性的电池系统是全球储能研究的战略重点。水系锌离子电池（AZIB）凭借锌负极高理论容量（820 mAh g⁻¹）、低氧化还原电位（−0.76 V）和低成本等优势，已成为理想的大规模储能候选技术。在各类正极材料中，碘（I₂）因转化反应可逆性强、资源丰富（如海水碘含量约55 µg L⁻¹）及环境友好等特点而备受关注。然而，Zn–I₂电池在实际应用中面临着挑战：在电化学循环过程中，I₂与I⁻之间的可逆互转不可避免地会产生可溶性多碘化物中间体（I₃⁻/I₅⁻），进而引发穿梭效应，导致活性物质损失和电池循环稳定性下降。为抑制多碘化物穿梭，已有研究致力于开发具备强吸附能力的宿主材料或能够加速多碘化物转化的电催化剂。目前Zn–I₂电池中使用的正极催化剂主要包括单原子催化剂、金属氧化物、氮掺杂碳材料以及金属有机框架等。然而这些材料常存在催化活性不足、长期循环稳定性差或成本过高等局限，制约了实际应用。近年来，高熵合金（HEA）作为一种新兴的多组分协同催化平台崭露头角，已在锂硫电池等电化学体系中展现出优异的催化性能。其多元素协同效应与结构稳定性赋予HEA材料卓越的电催化活性和耐久性，使其有望成为构建高活性、长寿命且具备经济性的Zn–I₂电池正极催化剂的理想候选材料。

文章简介

在此，我们采用超快碳热冲击技术，制备出以碳纳米纤维（CNF）为载体的HEA纳米颗粒作为Zn–I₂电池的正极催化剂，以抑制穿梭效应。HEA纳米颗粒具有超高比表面积和多面活性位点，能够有效吸附并催化转化多碘化物，从而抑制穿梭效应。原位紫外可见光谱分析表明，HEA催化剂显著减少了I₃⁻的生成。由此制备的Zn-I₂电池在1A g⁻¹电流密度下展现出高达220.23 mAh g⁻¹的卓越比容量，同时具备优异的循环稳定性（25000次循环，每循环衰减率仅0.0014%）和出色的倍率性能。FeCoNiCrMn高熵合金在Zn−I₂电池中的成功应用，证明了高熵催化提升Zn−I₂电池性能的巨大潜力。

其成果以题为“Dual-Function High-Entropy Alloy Nanocatalysts Enable Long-Life Aqueous Zinc–Iodine Batteries”在国际期刊Adv. Sustain. Syst上发表。

文章要点

一、高熵合金对多碘化物的吸附抑制穿梭效应：高熵合金纳米颗粒凭借其多活性位点与高比表面对碘物种的强吸附作用，有效抑制了Zn−I₂电池循环过程中可溶性多碘离子向锌负极的迁移，显著缓解了穿梭效应，从而实现了电池的超长循环稳定性（25,000次循环，每圈容量衰减率仅为0.0014%）。

二、高熵合金对碘转化的协同催化提升反应动力学：高熵合金中多金属组分的协同催化作用，显著加速了碘氧化还原过程，进而提升了Zn−I₂电池的电化学性能，使其在1 A g⁻¹下具有高达220.23 mAh g⁻¹的比容量，并表现出优异的倍率性能。

文章链接

https://doi.org/10.1002/adsu.202501175

第一作者简介

尹天宇，天津大学化工学院2021级本科生，毕业论文导师为杨春鹏教授。致力于长寿命水系锌碘电池正极材料研究，以解决锌碘电池中多碘穿梭等问题，实现高性能水系锌碘电池。

陈茂鑫，新加坡国立大学2022级博士生，导师为杨全红教授和吕炯教授。致力于新型材料的原子级设计和高比能转换型电池正极材料的开发与设计。

2025-11-02