高安全性、环境友好性与高容量潜力，使水系锌碘（Zn–I₂）电池成为储能领域的研究热点。然而，传统I^–/I⁰两电子转化限制了其容量与反应动力学。为突破瓶颈，研究者提出通过激活碘高价态实现多电子转移的策略。其中，卤素调控被认为极具潜力：卤素离子（如 Br^–、Cl^–）可与碘形成卤素间化合物，促进 I^–/I⁰/I⁺的四电子转移，并诱导更高价态碘物种生成。但多电子反应中，I?易水解且界面稳定性差，导致反应可逆性和循环性能受限。因此，构建能稳定高价碘中间体并加速电子转移的体系，是实现高能效Zn–I₂电池的关键。

  东华大学焦玉聪研究员长期致力于水系锌离子电池，在电解液与界面结构设计以及低温可逆电化学体系方面开展了系统探索，并取得了一系列重要进展（Nat. Commun., 2025, 16, 9254; Adv. Mater.2025, 37, 2501004; Adv. Mater. 2024, 36, 2314144; Adv. Mater. 2022, 34, 2110140; Angew. Chem. Int. Ed. 2023, 62, e202215060; Angew. Chem. Int. Ed. 2023, 62, e202314456; Angew. Chem. Int. Ed. 2023, 62,e202307271; Energy Environ. Sci. 2023, 16, 4561–4571）。近期，其团队将研究方向进一步拓展至锌碘电池领域，并取得了重要成果（Angew. Chem. Int. Ed.2025, 64, e202423326; Angew. Chem. Int. Ed. 2025, 64, e202515633）。然而，其前期研究主要聚焦于实现二电子或四电子转移过程，多电子转移机制仍有待进一步拓展。

  近期，东华大学化学与化工学院陈璇博士研究生、冯豆豆博士、焦玉聪研究员与武培怡教授团队提出了基于双电极协同效应实现了高度可逆的多电子转移。在此，1-戊基-3-甲基咪唑溴化物（[PeMIM]⁺Br^–）用于开发一种双电极协同电解质（DESA-E），DESA-E 中的 Br^– 引发了双卤素协同效应，激活了I^–/I⁰/I⁺ 四电子转移反应的速率，此外，高价态I⁺ 的生成加速了Br^–/Br⁰ 的深度氧化还原反应以实现超高比容量。同时，疏水性[PeMIM]⁺ 烷基链稳定了卤素中间产物，抑制了I⁺ 的水解，并通过静电效应引导Zn²⁺ 沿着（002）平面沉积，实现了正负极的可逆性。因此，DESA-E体系全电池在低电流密度下（0.5 A g^–1），经过500 次循环后具有 557 mA h g^–1 的高比容量，平均库仑效率接近100%（99.97%），在 8 A g^–1 电流密度下，稳定循环60000 次，并且在循环中保持了每圈0.00055%的低衰减率。这项研究提出了一种简便且经济高效的电解质设计方案，能够实现高度可逆的多电子Zn–I₂电池，适用于高能量密度储能系统。

  2025年11月5日，该成果以“Dual-Electrode Synergistic Electrolyte Enabling Highly Reversible Multi-Electron Redox in Aqueous Zinc-Iodine batteries”为题，发表在《Advanced Materials》(Adv. Mater. 2025 )上。东华大学化学与化工学院陈璇博士研究生和冯豆豆博士为文章共同第一作者，焦玉聪研究员和武培怡教授为论文共同通讯作者。

方案1. 锌-碘电池中不同电子转换反应示意图

  传统 Zn–I₂ 电池仅涉及两电子转移，容量低、动力学缓慢且多碘离子穿梭效应显著。为突破瓶颈，本文在 2 M ZnSO₄（BE）中引入 1-戊基-3-甲基咪唑溴（[PeMIM]⁺Br^–），构建双电极协同电解质 DESA-E。该体系通过卤素间相互作用促进 I?/I⁰/I? 多电子转移，使 Br^– 的容量利用率由 8.9% 提升至 31.2%。同时，[PeMIM]⁺ 与卤素中间体配位形成疏水微环境，抑制 I⁺ 水解并稳定氧化还原过程，其疏水烷基链优先吸附于锌表面，排斥活性水分子并诱导均匀沉积，从而实现双电极的高可逆性与优异循环性能。

图1. 不同烷基链长咪唑溴盐的筛选

  为筛选最适合调控多电子转移的咪唑鎓盐添加剂，研究团队系统比较了不同烷基链长度的溴化咪唑鎓盐（[EtMIM]⁺Br^–、[PrMIM]⁺Br^–、[BuMIM]⁺Br^–、[PeMIM]⁺Br^–、[HeMIM]⁺Br^–）。随着烷基链从乙基延伸至己基，溶解度下降、疏水性增强（LogP值增加），为 I? 提供缺水环境，从而影响 Zn–I₂ 电池的多电子转换。理论计算显示，[PeMIM]⁺Br^– 的 I⁺ 水解能垒最高，可有效抑制 I⁺ 水解，同时其与中间体 IBr₂^– 的结合能最大，表现出优异的氧化稳定性。综合溶解度、疏水性、水解能垒与结合能等指标，0.5 M [PeMIM]⁺Br^– 被确定为最优添加剂体系，并命名为 DESA-E。

图2. 双卤素电池的电化学机理

  在不同电压窗口下评估电子转移行为时，可清晰观察到三对可逆氧化还原峰：在 0.6–1.45 V 范围内对应 I^–/I⁰ 反应；在 0.6–1.65 V 时新增 I⁰/I⁺ 峰（[I₂Br]^– + 3Br^–? 2e^–→2[IBr₂]^–）；在 0.6–1.85 V 下出现 Br^–/Br⁰ 峰（2[IBr₂]^– + 2Br^–? 2e– →2[IBr₃]^–），表明氧化还原过程由四电子扩展至多电子转移。容量分析与表征结果（XPS、原位拉曼）证实双卤素体系中存在卤素间协同效应，既促进了 I^–/I⁰/I⁺ 转移，又显著提高了溴的容量利用率（8.9% → 31.2%）。理论计算进一步揭示其有效克服了热力学与动力学障碍，与实验结果一致。

图3. 不同电解质体系下阴极的氧化还原动力学

  为揭示多电子转移机制，系统研究了不同电解质体系的氧化还原动力学。由于 I⁺ 易水解，其稳定性成为关键。电化学分析表明，DESA-E 体系具有优异的多电子可逆性；原位 UV–Vis 光谱显示 I₃^– 的积累被显著抑制，反应更迅速。进一步的 DRT 分析揭示其循环过程中电荷与扩散电阻极低，界面稳定性出色。综合结果表明，DESA-E 有效促进了快速且高度可逆的多电子氧化还原过程。

图4. BE和DESA-E对Zn/Zn和Zn/Cu电池电化学性能的影响

  为揭示 DESA-E 在锌负极上的调控机制，研究团队通过对称与不对称电池系统地评估了其沉积/剥离性能。得益于界面环境的显著优化，DESA-E 基对称电池在 1 mA cm^–2（1 mA h cm^–2）下可稳定循环 3000 小时，不对称电池亦可持续运行超过 900 次（>1800 小时），均远超传统 BE 体系（仅 43 小时和 24 次）。“Reservoir half-cell”测试进一步证实其提升锌沉积可逆性与抑制副反应的作用。机制分析表明，DESA-E 的 Zeta 电位（?8.16 mV）明显低于 BE（3.05 mV），显示其与锌表面存在更强的相互作用。循环过程中，[PeMIM]⁺ 阳离子会吸附在锌表面，占据水分子位点，降低内亥姆霍兹层的水含量并形成静电屏蔽效应，引导 Zn2? 沿 (002) 晶面择优沉积，实现界面稳定性与动力学性能的协同提升。

图5. 不同电解质体系下锌-碘全电池的电化学性能。

  研究团队系统评估了 Zn–I₂ 电池的性能，以验证DESA-E在双卤化物转换化学上的优势。原位拉曼光谱表明，DESA-E 有效抑制多碘离子迁移并促进碘物种快速转化。DESA-E 电池展现出优异的倍率和循环性能，在 0.5 A g^–1 循环 500 次后仍保持 90% 容量（557 mA h g^–1），其平均库仑效率高达 99.97%，为低电流密度下Zn–I₂ 电池的最高已报道值，体现了卓越的可逆性。在高电流密度 8 A g^–1 下，电池可稳定运行 60,000 次，且每圈的衰减率仅 0.00055%。此外，DESA-E 电池在软包形态及 60 ^oC 条件下仍展现出优异的循环稳定性，充分证明其在多电子转换体系中的卓越可逆性与实际应用潜力。

  该研究工作得到了国家自然科学基金、中央高校基本科研业务费专项资金及上海市自然科学基金的资助与支持。

  论文链接：https://doi.org/10.1002/adma.202513389