钾-碘电池由于其高功率密度和环境可持续性，有望成为下一代电池技术的替代方案。然而其面临着多碘化物溶解和复杂的电极制造工艺的问题，这导致了性能衰退，并限制了其大规模市场应用。

在此，北京大学郭少军团队报道了一种简单的“溶液-吸附”策略，用于大规模生产Ti3C2（OH）x/碳纳米管纸（CNP），其可作为碘负载的低成本载体。研究发现CNP对电化学活性I3–/I–氧化还原对具有很强的亲和性，同时，MXene上的Ti–OH官能团通过形成稳定的I···H–O分子内卤素键，限制了多碘化物的溶解。

基于此，所制备的电极在0.2 C电流密度下展现了226 mAh g⁻¹的高放电容量，并且具有优异的循环稳定性（在10 C下经过1000次循环后容量保持率为83%）。此外，组装的100 mAh软包电池展现了130 Wh kg⁻¹的高能量密度和优异的循环寿命（在1 A g⁻¹电流密度下，经过100次循环后容量保持率为98%，充放电时间为10分钟），在实现快充和长寿命可充电电池的同时，保持了高能量密度。

图1. 两种电极的电化学性能

总之，该工作报道了一种简便制备MXene@CNP-I电极的“溶液-吸附”策略，该策略具有大规模生产的潜力，可用于高性能的钾碘电池。碳纳米管（CNT）基质展现出对碘物种的强亲和性，从而增强了电化学的可逆性。引入Ti3C2（OH）X后，所制备的电极实现了高效的I3–/I–氧化还原反应，同时也抑制了多碘化物的溶解。

通过原位拉曼光谱、原位紫外可见光谱和非原位FT-IR分析的综合表征，确认了Ti–OH官能团与活性I3–/I–形成稳固的I···H–O分子内卤素键的关键作用。这样的强化学相互作用有效抑制了穿梭效应，并实现了226 mAh g⁻¹的可逆比容量（在0.2 C电流密度下）和优异的循环稳定性（在10 C电流密度下经过1000次循环后仍保持83%的容量保持率）。

因此，该工作在电动汽车和便携设备中的具有巨大商业潜力（255美元kWh⁻¹）且能满足高能量密度、快速充电和长寿命的要求。

图2. 电池性能

Robust I···H–O Intramolecular Halogen Bond Boosts Reversible I3–/I– Redox Behavior for Sustainable Potassium–Iodine Batteries, Journal of the American Chemical Society2024 DOI: 10.1021/jacs.4c12960