由于安全以及价格这一块的优势，水系锌离子电池（ZIBs）被共同认为是锂离子电池在大规模储能设备范畴的替代品。但是，由于缺少高性能的正极资料，ZIBs的广泛应用受到了严峻的影响。水系ZIBs正极资料的研制可参阅老练的锂离子系统。在锂离子电池系统中，三种储能机理被广泛研讨，即嵌入，转化，合金化。比较之下，水系ZIBs系统中仅有Zn

  近来，澳大利亚阿德莱德大学的乔世璋教授团队以CuI正极资料为例深入了研讨了其在水系ZIBs的储能机制以及锌离子的分散途径。经过原位和非原位表征标明锌离子并未嵌入该正极资料，而是直接经过Cu+与Cu0的转化反响完结锌离子的存储。该研讨扩宽了现在水系ZIBs的正极挑选规模，为展开下一代高性能的ZIBs奠定根底。

  为了验证CuI电极在水系ZIBs的适用性，作者首要在三电极系统中采集了CuI的CV曲线 V左右对Ag/AgCl有显着的复原峰，显着高于-1.0 V的锌氧化复原电对，阐明晰其在水系ZIBs中的实用性。随后作者组装了Zn/CuI电池，充放电依据成果得出其在~0.6 V左右，CuI正极表现出杰出的放电渠道，这与CV成果共同。但是，该电极的容量较低，且库伦功率比较低（约为45%）。因而很难判定该CuI电极发生了Zn2+的刺进反响仍是转化反响。

  为了测验CuI电极的Zn2+存储机制，作者进行一系列的原位和非原位测验。原位XRD标明放电前，电极显现出坐落11.4和21.6的峰，对应于CuI的(111)和(220)面。(111)峰强度在放电时逐步削弱，阐明CuI量削减。有必要留意一下的是该电极没发生峰移，阐明CuI的晶体结构没改动。这也标明Zn2+或H+没有刺进到CuI晶格中。在放电时，在~19.0和21.9呈现新的铜金属的(111)和(200)，这是在没有Zn2+刺进的情况下，CuI直接转化为Cu金属的直接依据。

  除了试验表征之外，作者还展开一系列的了理论模仿，依据Zn2+在刺进CuI结构进程中的途径，DFT核算收集了相应的能垒。Zn2+的嵌入存在~1.9 eV的高能势垒，这首要是由于Zn2+具有高的电荷密度，这也为Zn2+嵌入带来非常大的应战。此外，研讨人员还模仿了Zn2+在CuI晶格中搬迁的能垒。成果显现Zn2+在CuI晶体电池中的搬迁能垒为~0.9 eV，远高于Li+在常用的锂离子正极候选者中的搬迁能垒（一般 0.5 eV）。这是由于与单价Li+比较，二价的Zn2+具有更高的电荷密度，这使得Zn2+与周围晶格的库仑相互作用更大，然后延缓了其分散进程。

  尽管CuI适用于作业机制研讨，但不适用于水系锌离子电池。首要，其理论比容量仅为139.1 mA h g-1，远低于常用的MnO2和V2O5。其次，放电产品部分溶于水系电解质，这大大约束了CuI的寿数。根据CuI的反响机理，其他高容量Cu基资料能够展开为高档阴极，包含含有VI和V族元素的Cu+基其他资料，如Cu2S、Cu2O、Cu3N、Cu3P，以及Cu2+基资料（CuS、CuO、CuF2）。在本作业中，作者首要探求了Cu+基资料（Cu2S和Cu2O），其间Cu3N和Cu3P在水基电解质中不稳定，尽管它们的理论比容量高（392.7和362.7 mA h g-1），但它们并不能作为水系电池的电极资料。

  因而作者首要探求了Cu2S和Cu2O。根据Cu+与Cu0的转化反响，Cu2O正极在水系ZIBs中展现出明显的放电渠道（~0.9 V，高于惯例的钒基正极资料）和高的放电比容量292.6 mA h g1（高于惯例的锰基正极资料）。多种非原位表征证真实放电进程中Cu2O逐步转化成Cu0和ZnO，在随后的充电进程中，又逐步转化为Cu2O，标明该转化反响的可逆性。一起，理论核算标明锌离子在Cu2O正极资猜中的刺进和搬迁需求较高的能垒，这严峻阻止了锌离子的嵌入。

  现在水系ZIBs正极的研讨仍受限于刺进型的钒基和锰基资料，该项作业打破了现在正极研讨的瓶颈，有效地拓宽了水系ZIBs中正极资料的挑选规模，为下一代高容量，高放电渠道的正极研制供给或许。（来历：科学网）