作为一种转换型正极材料，碘（I₂）展现出储量丰富、环境友好以及通过双电子I⁻/I₂氧化还原反应实现的高比容量（211 mAh g⁻¹）等优势。然而，液态锂-碘（Li||I₂）电池存在多碘化物穿梭效应，导致电池失效。采用固态电解质可以有效避免这一问题，并提升电池安全性。此外，如果碘的价态可以提升到+1价，I₂的氧化还原反应便可以提供更大的容量。
基于上述分析，南京大学何平教授、周豪慎教授团队通过设计I2/Li4.2InCl7.2（LIC7.2）纳米复合电极，开发了一种四电子全固态Li||I2电池。与普通Li3InCl6（LIC6）相比，LIC7.2能够提供更丰富的Cl配位环境，同时保持高电压稳定性和良好的离子电导率。因此，研究人员预期I2/LIC7.2电极中的I2/I+氧化还原行为将比I2/LIC6电极更为显著。在此基础上，通过一系列拉曼光谱、X射线光电子能谱（XPS）测量和密度泛函理论（DFT）计算，成功实现了可逆的I-/I2/I+四电子固相转化化学。这使得全固态Li||I2电池的库仑效率接近100%，并使比容量翻倍（图1）。
图 1.液态Li||I2电池和基于LIC7.2的全固态Li||I2电池示意图。
在室温下，I2质量负载为0.5 mg cm-2评估全固态Li||I2电池的电化学性能，电池表现出优异的倍率性能（图2a），在第二次循环中表现出430 mAh g-1的比容量与稳定循环600次的寿命（图2b）。在更高的I2质量负载与高温高面载工况下仍然保持优异的性能（图2c-f）。此外，所制备的全固态Li||I2软包电池在剪切测试中显示出可靠的安全特性（图2h-i）。这项工作丰富了对I2电极固相反应化学的基本理解，并将激励更多研究探索具有高能量密度的新型全固态电池系统。
图 2.四电子全固态 Li||I2 电池的电化学性能。a-b 质量负载为 0.5 mg cm-2的电池的倍率与循环性能。c-d I2质量负载为 3.5 mg cm-2的电池的倍率与循环性能。e-f 高温高面载工况下全固态Li||I2电池的充放电曲线与循环性能。g 四电子全固态Li||I2电池的面容量和循环寿命与文献报道的高面容量条件下转换型正极全固态电池的结果比较。h-i 全固态Li||I2软包电池为LED灯供电与剪切安全性测试的照片。
相关工作以“Realizing four-electron conversion chemistry for all-solid-state Li||I2 batteries at room temperature”为题，于近日在《Nature Communications》上在线发表。现代工学院何平教授与周豪慎教授为论文通讯作者，该院2021届博士程铸与2020级直博生刘航为该论文的共同第一作者。该工作得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、江苏省重点研发计划、江苏省碳达峰碳中和科技创新专项资金等项目的资助，同时也得到了固体微结构物理国家重点实验室、人工微结构科学与技术协同创新中心、江苏省功能材料设计原理与应用技术重点实验室和南京大学储能材料与技术中心等单位的支持。
文章链接：
https://doi.org/10.1038/s41467-025-56932-5
