锌碘（Zn-I₂）电池凭借理论能量密度高、成本效益佳及安全性较强的优势，已成为极具潜力的下一代储能系统候选方案。不过，多碘化物穿梭效应以及阴极-电解质界面处氧化还原动力学迟缓等关键难题，却阻碍了其实际应用。因此，亟需开发具有优异限域能力的碘基正极材料，推动锌碘电池在实际应用中的发展。

近期，江南大学贾浩&香港理工大学姜绶祥&安徽工程大学郑贤宏在《Advanced Fiber Materials》上发表题为“High-performance Zn-I2 Batteries Enabled by Porous Hetero-Carbon Nanofiber Hosts with TiO2 Homojunctions”的研究性论文。该工作利用静电纺丝及退火处理工艺实现了分级多孔异质碳纳米纤维的碘宿主材料的可控制备，该材料将二氧化钛活性位点与同质结构相结合，旨在同时实现对多碘化物的固定与催化转化。通过综合密度泛函理论计算及全面的实验表征发现，协同作用的异质结/同质结结构显著提升了电荷转移效率与催化活性，既能有效缓解多碘化物的扩散，又能促进氧化还原动力学过程。

该工作通过简单的静电纺丝工艺，然后进行退火处理，成功制备出集成二氧化钛（TiO2）纳米颗粒的碳纳米纤维（CNF）宿主。研究中通过改变退火温度，可调控集成TiO2的相组成，进而使宿主对碘的限域程度产生差异。图1证实了掺杂同质结型二氧化钛（HTO）的成功制备。拉曼光谱结果显示，该材料具有较高的石墨化度和电导率。此外，HTO@C不仅拥有高结晶质量的二氧化钛-碳异质结与同质结，其比表面积超过600 m2·g−1，平均孔径约为3 nm，这些特性有助于提高碘的吸附能力，限制碘物种的扩散，从而提升电池的电化学性能。

图1 HTO纳米纤维的形貌表征

研究表明含HTO@C的碘溶液1小时内从棕色变为近乎透明，而含ATO@C和RTO@C的溶液在5小时后仍呈浅黄色。这一现象表明HTO@C吸附碘的能力更强，这得益于其内建电场以及优越的电荷分离效率。紫外-可见光谱显示I3−强度显著降低，进一步证实HTO@C对碘吸附能力强，这要归因于其多孔结构和良好的化学亲和力。XPS分析检测到了碘、氧、钛和碳元素，说明I2已成功渗透；同时，HTO@C中I−的含量显著增加（65.8%），这体现出其强大的吸附能力和催化还原能力。I2/HTO@C的元素分布、证实了I2的均匀负载。TGA分析显示该复合材料中浸渍碘的含量为30%，且I2/HTO@C的热稳定性优于其他样品，这是因为其优越的结构有利于碘的吸附和限制相关反应。

图2 碘吸附与限域性能测试

采用不同阴极制备的Zn-I2电池性能如图3所示。HTO电池的Nyquist图显示，其电荷转移电阻低于其他电池，这表明HTO的能带结构有利于实现快速电子传输和电极反应。HTO电池在1 A·g−1下循环1000次后容量超217.5 mAh·g−1，平均库仑效率达99.5%；同时，其充放电极化值较低。在4 A·g−1的条件下循环50000次后，该电池的容量保持率为98.9%，性能优异，远超其他Zn-I2电池，其得益于HTO@C的协同异质/同质结构提升了碘氧化还原反应的催化活性和碘的利用率。

图3 全电池性能测试

图4a展示了电池在0.4-1.6V电压范围、1 mV·s−1扫描速率下的电流密度与电位的CV曲线。HTO电池的氧化还原峰位于1.34V和1.24V，极化约为0.1V；而ATO和RTO电池的还原峰更负，这表明其动力学缓慢、极化较大。HTO的同质结能够增强界面极化，加速电荷转移，促进I2与I−的快速转化。图4b的Tafel曲线显示，HTO电池的斜率最小（20.06mV·dec−1），说明其多碘化物转化动力学最快。在0.2-1mV·s−1的扫描速率下，HTO电池的CV曲线出最小的极化，体现出优异的动力学性能和一致性，且其赝电容贡献显著高于其他电池，这证实了同质结的积极作用。经过24小时的开路存储后，HTO电池的容量保持率达95.29%，表明其能有效抑制多碘化物的穿梭效应。

图4 多碘化物转化动力学测试

原位紫外-可见光谱分析显示，I2/HTO@C电池中I3−的吸光度在整个循环过程中始终保持低水平，这表明HTO@C能有效抑制多碘化物的形成与穿梭，这得益于其对电子转移及氧化还原反应的促进作用。基于密度泛函理论（DFT）的计算结果显示，HTO电池表面的碘物种（I−、I2和I3−）存在显著的电荷转移，且结合能更负，这表明HTO与多碘离子之间的键合强度远高于传统的I2-TiO2键，具有优异的热力学结合性能，其归因于同质结界面层中产生的内建电场效应。总之，HTO@C的多孔结构有利于形成连续的导电路径并提供物理吸附能力，而TiO2纳米颗粒的集成构建了异质结结构，可促进质量转移并增强反应动力学；此外，优化后的HTO结构形成的内建电场能与可溶性多碘离子产生强烈的界面相互作用，从而增强对多碘化物的催化转化效果。

图5 原位测试及计算分析

如图6a-b所示，研究中采用水凝胶电解质组装了锌碘软包电池。由两个串联的软包电池组成的供电系统，能够为显示“JNU”标志的LED板供电。即便处于侧折、双折、卷起或穿孔等不同状态，其供电性能也不受影响，这体现出该电池优异的机械柔性、可折叠性和高安全性。在0°-180°的不同弯曲角度下，电池的容量保持率高达95.54%（图6c）；经过50次充放电循环后，其性能未出现明显下降，展现出优异的循环稳定性。这一系列结果表明，I2/HTO@C阴极在电池应用中具有巨大潜力，尤其适合集成到可穿戴纺织品中。此外，将I2/HTO@C活性材料与碳纳米管阵列包覆结合，制成复合纱线，再与锌丝阳极和水凝胶电解质集成，构建出了自供能存储单元。这些锌碘纱线电池可作为多晶硅太阳能电池（6V，150mA）使用，在白天高效收集并储存太阳能，用于为功能性电子产品供电。由四个锌碘纱线电池串联组成的系统，能够轻松点亮“JNU”LED标志（图6d-e）。

图6 软包及纱线电池展示

综上所述，本研究通过界面能带工程开发出一种新型碘宿主材料（HTO@C），该材料具有协同作用的异质结/同质结结构，专为锌碘电池高效阴极设计。基于这种独特协同结构，HTO@C宿主能够有效抑制可溶性多碘化物的形成，并增强界面反应动力学。实验结果显示，以I2/HTO@C为阴极的锌碘电池展现出卓越的倍率性能和超长循环稳定性，超过50000次循环后，容量保持率仍达98.9%。此外，I2/HTO@C阴极还兼具优异的机械性能，适用于软包电池、纱线电池等多种电池配置。总之，本研究不仅提出了一种通过界面能带工程制备具有增强氧化还原动力学的碘宿主阴极的可行方法，还为优异机械柔性电池的发展开辟了新途径。

通讯作者简介

郑贤宏，安徽工程大学副教授，硕士生导师，入选2023年、2024年世界前2%顶尖科学家、安徽省高校青年拔尖人才、安徽省高校优青、芜湖市青年科创先锋等称号。美国The University of Texas at Dallas联培博士（导师：美国工程院院士Ray Baughman教授）。主要从事柔性智能可穿戴器件的相关研究工作，在上述领域以第一作者及通讯作者在Adv. Mater.、Adv. Funct. Mater.、Carbon Energy、Small等国际期刊发表SCI论文30余篇，6篇论文入选ESI高被引论文、封面和Hot Topic专题，主持国家自然科学基金、安徽省自然科学基金青年基金和面上基金等，担任Infomat、Soft Science、Information & Funct. Mater.等期刊青年编委，Adv. Mater.、Adv. Funct. Mater.、Adv. Sci.、Small、Small methods等30余个国际SCI期刊兼职审稿人。

姜绶祥，香港理工大学时装及纺织学院教授。领导的科研团队主要从事高性能金属纳米级薄膜的结构和功能，应用于纺织纤维材料方面的设计与研究。科研团队与生产企业合作联合研究，解决高新技术的研究、开发与应用中的具体问题，在无水镀覆纺织着色技术生产应用方面取得进展，完成了真空金属镀覆生产的设计制造和生产设备工艺参数的研发工作。此外，科研团队还致力于柔性智能材料及创新科技研发，柔性纱线太阳能电池的制备，用于食品安全检测的柔性表面增强拉曼散射系统等方面的研究。课题组获得发表学术论文200余篇，获专利10余项。

贾浩，江南大学副研究员，研究生导师，东华大学纺织工程专业博士，美国北卡州立大学联培博士，香港理工大学博士后。获批2021年香江学者计划项目，江苏省科技副总专家，在柔性可穿戴纺织基储能器件和纤维基电磁防护材料进行了相关研究工作，以第一/通讯作者在Adv. Mater.、Adv. Energy Mater.、Energy Storage Mater.、Adv. Funct. Mater.等国际知名期刊发表SCI论文40余篇，h-index 44，授权国家发明专利4项，担任Adv. Fiber Mater、J. Energy Chem.、纺织高校基础科学学报等期刊青年编委。