近日，我院在高性能有机锂卤素研究方面取得重要进展，相关成果发表研究论文在国际权威期刊《Angewandte Chemie-International Edition》：Three-Electron Transfer-Based High-Capacity Organic Lithium-Iodine (Chlorine) Batteries。李新亮教授为本文第一作者，郑州大学物理学院为第一单位。

在当今能源密集型应用背景下，为满足电动交通、可再生能源集成和便携设备的长时间运行需求，开发具有高能量密度的可充电电池被视为能源技术领域的重要前沿。

电化学储能的核心在于电子在电极中的可逆转移，其中可转移电子数量与电池的输出容量密切相关。转换型电池（Conversion-type batteries）因工作电极的大幅价态转变而具有高放电容量，然而目前的电池存在未充分利用的电子转移模式，极大地限制了锂卤素电池应有的电化学性能。

李新亮教授基于常见的商业电解质四丁基三碘化铵TBAI₃中饱和富Cl⁻离子电极液，开发了一种新型基于卤素间化合物I⁻/I⁺和Cl⁻/Cl⁰氧化还原电对的三电子转移化学模型，实现了高能量密度的锂卤素电池。

这项研究创新性地在商业电解质中引入Cl^-离子，激活了新的转化化学，显著提高了锂卤素繁荣电化学性能。所制备的Li||TBAI₃电池表现出三个不同的放电平台，分别位于2.97 V、3.40 V和3.85 V，分别对应着单个的电子转移。电化学分析进一步证实了该体系具备卓越的氧化还原可逆性。原位表征技术揭示了Cl和I在Li||TBAI₃中的三电子反应过程，其中Cl^-在前两个阶段不参与I^-/I⁺的氧化还原反应，而在更高电压位置发生了Cl^-/Cl⁰的单电子转化反应。更为引人注目的是，该三电子转移机制扩宽了反应电压窗口，实现了高达631 mAh/g的高容量（265 mAh/g_electrode，基于整个电极质量），以及前所未有的能量密度：2013 Wh/kg（845kWh/kg_electrode）。

此外，密度泛函理论（DFT）为全面理解三电子转换微观过程提供了理论支撑。尤为重要的是，计算结果表明最终的碘氯产物更倾向于生成ICl₂，而不是ICl或ICl₃。其次，DFT计算揭示了I^-→I⁰→I⁺与Cl^-的反应热力学，表明Cl^-的存在显著提高了I⁰和I⁺的氧化还原产物稳定性，与实验结果相互印证。

该工作得到了国家自然科学基金等项目的支持。

Xinliang Li, Yanlei Wang, Junfeng Lu, Shimei Li, Pei Li, Zhaodong Huang, Guojin Liang, Hongyan He, Chunyi Zhi, Three-Electron Transfer-Based High-Capacity Organic Lithium-Iodine (Chlorine) Batteries, 2023, https://doi.org/10.1002/anie.202310168.

全文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.202310168