厦门大学《自然·通讯》：聚酰胺“水凝胶铠甲”赋能锌碘电池，厚电极实现Ah级容量与1600次稳定循环

• 2026-09-11
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随着可再生能源的快速发展，全球对高效、安全的储能系统需求日益迫切。尽管锂离子电池在便携式电子设备和电动汽车领域占据主导地位，但其有机电解液的易燃性和相对较高的成本限制了其在大规模电网储能中的广泛应用。水系锌金属电池因其水性电解液的本征安全性、环境友好性以及锌金属的高丰度和低氧化还原电位（-0.76 V vs. SHE），被视为电网级储能的理想替代方案。其中，水系锌碘电池（AZIBs）通过碘（I₂）与碘离子（I⁻）之间的可逆转换反应实现储能，具有有利的氧化还原电位（0.536 V vs. SHE）、较高的理论比容量（211 mAh g⁻¹）以及碘在海洋中的天然丰度（55 μg L⁻¹）等优势，因而备受关注。然而，锌碘电池的实际应用面临两大核心挑战：一是碘正极的面积容量普遍较低，难以满足实用化需求；二是充放电过程中生成的可溶性多碘化物中间体（如I₃⁻、I₅⁻）极易穿梭至负极侧，导致不可逆的容量损失和锌电极腐蚀，严重制约了电池的循环寿命和可靠性。 针对上述难题， 厦门大学 杨阳副教授 、 赵金保教授 合作， 提出了一种集成厚电极加工策略，通过快速相转化法在电极体相中原位形成粘弹性聚酰胺热塑性弹性体（TPAE）网络，该网络既作为结构骨架保持浆料级别的均匀性，又作为富含酰胺官能团的多碘化物固定化水凝胶界面，协同实现了厚电极中高效的离子传输和多碘化物的化学锚定 。 所制备的高载量柔性碘电极（70 mg cm⁻²）在0.62 A g⁻¹电流密度下实现了11.5 mAh cm⁻²的平均面积容量，并稳定循环超过1600次。更重要的是，该集成电极可直接用于组装Ah级单层软包电池（约1.6 Ah），在1200次循环中保持稳定运行，为高能量密度锌碘电池的实际应用铺平了道路。相关论文以“Integrated Thick Flexible Iodine Electrode with Polyiodide Immobilization Hydrogelation Interphase for Practical Ah-Level Aqueous Zinc-Iodine Pouch Cells”为题，发表在Nature Communications上。 图1 | TPAE基集成厚电极的设计。 干法加工PTFE@AC电极中多碘化物溶解问题的示意图，与TPAE@AC电极中多碘化物固定化的对比。 厚电极的力学增强与快速离子传输 研究人员通过水系相转化工艺制备了集成式厚TPAE@I₂AC电极。该方法利用TPAE中极性酰胺基团的可逆氢键作用，在浓LiTFSI水溶液（10 M）中，Li⁺阳离子与富电子羰基配位，而缺电子的-NH基团则与TFSI⁻阴离子形成弱氢键，有效破坏了聚酰胺链间的氢键网络，使TPAE溶解。当含有AC@I₂、导电剂和TPAE粘结剂的浆料浸入纯水中时，LiTFSI迅速扩散至水相，聚酰胺链间重新形成强氢键，实现快速均匀的相转化，将均相浆料转变为坚固的固态电极。扫描电子显微镜（SEM）图像显示，所制备的TPAE@I₂AC电极在毫米级厚度下仍保持良好的结构完整性，无分层或开裂现象（图2a、b）。飞行时间二次离子质谱（TOF-SIMS）分析确认了活性炭特征离子碎片（C₆⁻）、TPAE特征碎片（CNO⁻和CN⁻）以及碘（I⁻）的高度均匀分布，证明相转化法实现了优异的化学均匀性。微计算机断层扫描（Micro-CT）分析进一步表明，TPAE@I₂AC电极具有连续的内部结构和均匀分布的孔隙（图2c、d），这种结构源于相转化过程对浆料级别电极均匀性的瞬时保留。相比之下，干法加工的PTFE@I₂AC电极虽能通过PTFE原纤化形成集成结构，但其形貌更为致密、孔隙率较低（图2e、f），且存在明显的活性材料团聚和异形拉长孔缺陷（图2g、h），这些结构缺陷源于干法加工中不可避免的机械剪切和压延过程，严重阻碍了厚电极中离子的均匀传输。 在力学性能方面，TPAE@AC电极表现出良好的机械鲁棒性，拉伸测试显示其可承受高达34%的拉伸应变（图2k），这得益于柔性聚酰胺链段形成的氢键网络，使自支撑电极能够承受显著的拉伸和扭曲而不断裂。相比之下，传统湿法加工的CMC基电极因干燥过程中粘结剂迁移而易发生严重开裂和分层，无法满足高载量应用需求。值得注意的是，PTFE固有的化学惰性和强疏水性导致其电解液润湿性极差，PTFE@AC电极与水系ZnSO₄电解液的接触角高达116°（图2j）；而TPAE@AC电极表现出强亲水性，接触角仅为32°，这种增强的润湿性结合其均匀互联的孔结构，极有利于电极体相内的高效离子传输。离子扩散实验（H型电解池配置）定量比较了不同电极的离子传输性能：Zn²⁺通过TPAE@AC电极从2 M ZnSO₄溶液扩散至纯水相的速率约为0.1398 mmol h⁻¹ cm⁻²，而PTFE