綜述背景

為滿足可持續(xù)發(fā)展的需要，人們對電能儲存的需求越來越高，從而推動了對新型電池系統(tǒng)的研究和發(fā)展，其中水系鋅離子電池(AZIBs)因其低成本、高安全性和環(huán)境友好等優(yōu)勢而備受關注。眾多研究工作者在設計和開發(fā)高性能AZIBs方面已經(jīng)做出很多嘗試，但仍面臨不少嚴峻挑戰(zhàn)。其中，鋅金屬負極上不可控的鋅枝晶和各種副反應等問題極大地阻礙了AZIBs的發(fā)展。有鑒于此，暨南大學麥文杰教授和孫鵬副教授團隊近日在Adv. Funct. Mater.發(fā)表相關綜述論文，通過系統(tǒng)介紹AZIBs的原理、電解液的結構和性質以及鋅負極所面臨的挑戰(zhàn)，重點討論了通過各種電解液改性策略優(yōu)化鋅負極穩(wěn)定性的調控機制和重要進展，并進一步探討當前電解液改性策略面臨的挑戰(zhàn)以及未來的潛在發(fā)展方向。

綜述亮點

重點關注水系鋅離子電池(AZIBs)負極所面臨的挑戰(zhàn)，包括鋅枝晶、副反應以及較窄的電化學穩(wěn)定窗口，并深入探討其潛在機制。

詳細討論了通過各種策略(包括鹽優(yōu)化、濃度優(yōu)化、添加劑工程、共溶劑電解液、共晶電解液和水凝膠電解液)實現(xiàn)對體相電解液和電極/電解液界面兩個主要方面進行調控的方法，并根據(jù)不同的機制對各種優(yōu)化策略進行了系統(tǒng)分類。

總結了目前電解液改性方法在提高鋅負極穩(wěn)定性方面的瓶頸，并對未來進一步穩(wěn)定鋅負極及提升AZIBs全電池性能的發(fā)展方向進行展望。

圖文導讀

圖1. AZIBs的組成和結構示意圖.

?

圖2. 鋅負極面臨的常見問題.

圖3. 鋅負極副反應的相關問題.

圖4.鋅枝晶形成過程示意圖.

圖5.電解液調控鋅負極穩(wěn)定性的部分挑選代表性工作的時間進展情況.

圖6.本綜述討論的重要內容總結和未來展望.

總結與展望

本文系統(tǒng)地討論了通過各種機制各異的電解液策略實現(xiàn)長壽命鋅負極，致力于解決AZIBs當前面臨的穩(wěn)定性差等關鍵挑戰(zhàn)。同時，也思考了未來電解液調控相關研究的潛在發(fā)展方向：

√AZIBs的長期循環(huán)壽命在很大程度上取決于鋅負極的穩(wěn)定性。未來的新型電解液調控策略，應同時考慮提高鋅負極的利用率(可通過放電性能的深度來評估)，進一步優(yōu)化鋅負極可逆鍍層/剝離的庫侖效率等相關作用，從而節(jié)省金屬鋅的用量，在未來的商業(yè)化過程降低AZIBs的總成本。

√對鋅負極/電解液界面(EEI)進行原位表征仍然相當困難。目前常用的對EEI精確成分進行表征方法中，樣品很容易受到大氣環(huán)境污染。因此，需要開發(fā)更先進的原位測量技術以更準確地表征Zn2+在EEI處的鍍層/剝離行為以及Zn金屬表面的成分。

√除了純水系電解液外，共晶電解液和水凝膠電解液也是穩(wěn)定鋅負極的理想選擇。與傳統(tǒng)電解液相比，這兩種特殊電解液中具有更少的自由水分子，可以很大程度避免副反應，提供更寬的ESW和更寬的溫度窗口。

√除了鋅負極的問題外，AZIBs還面臨著其他挑戰(zhàn)，如電池循環(huán)中正極的不可逆損耗、嵌入過程中Zn2+誘導產(chǎn)生的副產(chǎn)物、體相電解液中離子遷移過程的動力學差等。因此，利用電解液工程來同時穩(wěn)定儲鋅正極和鋅負極是提高鋅離子全電池整體性能的較優(yōu)策略。

√穩(wěn)定溫度窗口也是阻礙AZIBs發(fā)展的一個重要因素。要拓寬AZIBs的工作溫度窗口，必須采用精確的電解液成分設計和水分子四面體結構分布調控等解決手段，以精確調節(jié)鹽成分、添加劑和溶劑水之間的相互作用，從而提升低溫下和高溫下電解液的相穩(wěn)定及高效離子遷移等性質。

√距離AZIBs的大規(guī)模應用還有很長的路要走，我們可以從其他研究更為成熟的相關領域借鑒，如鋰離子電池、鈉離子電池、甚至表面化學和金屬冶煉等研究方向。將有關的經(jīng)驗合理地運用到AZIBs體系中，有助于探索新的機理，以實現(xiàn)整體性能的突破。

審核編輯：劉清