摘要：水系二次电池因其高安全性、低成本和环境友好而受到认可，使其在大规模储能应用中极具前景。与有机电解质相比，水性电解质具有明显的优势，包括低成本、环保性和高安全性。值得注意的是，水系电解质的离子电导率(~1 S cm-1)明显高于有机电解质的离子导电率(10-3-

综述背景

水系二次电池因其高安全性、低成本和环境友好而受到认可，使其在大规模储能应用中极具前景。与有机电解质相比，水性电解质具有明显的优势，包括低成本、环保性和高安全性。值得注意的是，水系电解质的离子电导率(~1 S cm-1)明显高于有机电解质的离子导电率(10-3-10-2S cm-1)，这有助于高效的离子传输，使其成为高功率应用的理想选择。迄今为止，利用单价K+和Na+离子以及多价Mg2+、Ca2+、Zn2+和Al3+离子的水性二次电池引起了广泛的研究兴趣。在金属中，锌以其丰富的含量脱颖而出，在地壳中仅次于铁、铝和铜，其全球储量远远超过锂。锌在水系电解质中的氧化还原电位相对较低(-0.76 V vs. SHE)，能够实现高电池电压。此外，锌离子在锌箔上表现出可逆的溶解和沉积，理论容量高达820 mAh g-1或5851 mAh cm-3。与锂离子系统中的单电子反应相比，锌基系统的多电子氧化还原反应允许更大的电荷存储，从而提高了能量密度和功率密度。因此，水系锌基电池(AZBs)通常由锌金属作为阳极，锌嵌入材料作为阴极，以及中性或弱酸性含锌离子的电解质组成。这些特性使AZBs成为大规模储能应用的有力竞争者，满足了安全、可持续性和成本效益的关键需求。

AZBs包括多种体系，如锌离子电池(ZIBs)、锌空气电池(ZABs)、锌银(Zn-Ag)电池、锌锰(Zn-MnO2)电池、锌溴(Zn-Br)电池等。尽管操作机制不同，但这些系统有一个共同的原理：锌离子在电极之间的可逆流动。在ZIBs中，锌离子在充放电循环过程中在阳极和阴极之间经历嵌入/脱嵌过程。相比之下，ZABs通过氧化还原反应从环境空气中产生能量，涉及锌和氧气。这种多样性扩大了锌基系统的应用潜力，展示了它们在各个领域的适应性和技术优势。尽管AZBs具有众多优势，但在研发方面仍面临重大挑战。一个主要问题是循环过程中锌枝晶的形成，这会刺穿隔膜，导致内部短路，危及电池的安全性和寿命。另一个限制是水性电解质的电化学稳定性窗口较窄，这会导致水在相对较低的电压下分解，从而限制AZBs的输出电压和能量密度。此外，阴极材料在电池循环过程中经常经历过渡金属离子的溶解和结构稳定性差等问题。尽管在开发AZBs的活性材料和电解质方面取得了实质性进展，但该领域仍处于早期阶段。未来的研究应侧重于阐明结构-性能关系，特别是材料成分、性能和反应机理，以加快开发用于实际应用的高性能AZBs。

综述内容

鉴于此，德国伊尔梅瑙工业大学雷勇教授课题组和加拿大国立科学研究院孙书会教授课题组合作发表题为”水系锌基电池(AZBs)：活性材料、器件设计和未来前景”的综述，基于AZBs的内在机制对其进行了全面的综述，包括氧化还原反应、离子插层反应、合金化反应、电化学双层反应和混合机制，并系统地讨论了每种AZBs的最新进展。总结了AZBs在电解质和电极材料方面的优势、问题和解决方案，同时阐明了阴极的转化机制。最后，对AZBs的发展前景和挑战进行了全面的分析和讨论，提供了潜在的解决方案和前进的道路。本综述的目的是系统和批判性地评估水性锌基电池系统的当前进展、持续挑战和未来前景，为材料创新和器件优化提供全面的路线图。

其成果以题为“Aqueous zinc-based batteries: active materials, device design and future perspectives”在国际知名期刊Advanced Energy Materials上发表。这是迄今为止自Advanced Energy Materials创刊以来发表的最长的综述(73页)。本文第一作者为伊尔梅瑙工业大学博士生冉言，通讯作者为雷勇教授和孙书会教授，通讯单位为德国伊尔梅瑙工业大学和加拿大国立科学研究院。

综述要点

⭐系统综述AZBs的电化学机制：涵盖氧化还原、离子插层、合金化、电化学双层及混合机制，并探讨最新进展。

⭐分析关键问题与解决方案：总结AZBs在电解质与电极材料方面的优势、挑战及应对策略，并阐述阴极转化机制。

⭐展望未来发展方向：探讨AZBs的挑战与机遇，提出潜在解决方案和优化策略，为材料创新和设备优化提供路线图。

图文导读

图1. 水系锌离子电池的基本电荷存储机制

图2. 阳极的各种优化策略，主要包括界面修饰、锌基板设计和合金阳极

图3. 电解质添加剂的优化策略

图4. 水凝胶电解质的优化策略

图5. 基于氧化还原反应的水系锌硫电池总结

图6. 基于离子嵌入反应的水系锌镍电池总结

图7. 基于合金化反应的水系锌碲电池总结

图8. 基于电化学双电层反应的水系锌离子电容器总结

图9. 基于锌镍和锌空气混合系统的总结

总结与展望

本文全面总结了水系锌基电池(AZBs)的进展，分为五种反应类型：氧化还原反应、离子插层反应、合金化反应、电化学双层反应和混合机制。尽管有潜力，但每个类别都会遇到相应的挑战。基于氧化还原反应的电池经常受到活性材料导电性和溶解度不足的影响，导致反应动力学差和容量衰减。基于离子嵌入反应的电池由于重复的离子插入和提取而表现出结构不稳定，导致循环性能下降。在整个合金化/脱合金过程中，显著的体积波动阻碍了合金化反应，导致机械应力和电池寿命缩短。电化学双层反应虽然快速，但由于非法拉第存储机制，通常表现出有限的能量密度。具有混合机制的电池在平衡不同反应途径的贡献方面遇到了问题，导致电荷存储和使用效率低下。解决这些问题对于提高AZBs的可扩展性、可靠性和电化学性能至关重要。此外，本文系统地描述了锌阳极、阴极材料、电解质和AZBs转化机制的发展和面临的挑战。通过深入研究这种电池技术的主要组成部分和关键概念，寻求促进其快速发展。AZBs中的锌阳极面临着枝晶形成等挑战，这可能会导致短路，以及腐蚀和析氢等副反应，降低效率和寿命。不幸的是，电解质的电化学稳定性有限，导致能量密度和水分解较差，以及两个电极之间的兼容性问题。解决这些问题对于提高这些电池的寿命、性能和安全性至关重要。尽管存在上述困难，AZBs在能量转换和电化学存储方面仍有很大的前景。

材料改性是提高AZBs阴极材料电化学性能的有效方法之一。构建纳米结构阴极以增加表面积以实现更快的锌离子扩散，掺杂杂原子以改变电子结构并提高离子电导率，以及设计导电基质或涂层以减少副反应并确保循环过程中的结构稳定性，都是这些改性策略的各种实例。此外，多孔设计和分级纳米结构的创建在提供足够的活性位点和实现有效的锌离子传输方面显示出巨大的前景，这两者都显著提高了这些电池的倍率性能和循环稳定性。同样，由于其分子结构，有机阴极材料具有灵活性和可调性，为合理开发独特的电化学特性提供了机会。

为了提高锌阳极的稳定性、功能性和长循环寿命，最近的方法研究了表面和结构的变化。表面工程是一种通过用某些涂层改变锌阳极来改善锌沉积均匀性和防止枝晶生长的方法。另一种策略是制造混合阳极或金属间化合物，包括锌-石墨烯复合材料或锌-锡合金，它们可以控制沉积动力学，减轻频繁循环带来的机械应力。此外，沉积和增强阳极反应的可逆性是使用离子导电中间层，这是一种选择性地允许锌离子迁移同时限制电解质侧相互作用的物质。

电解质是AZBs中的重要组成部分，因为它控制着锌离子的传输、电化学反应的效率和整体器件性能。有限的锌离子电导率、与锌电极的不利相互作用、循环过程中的不稳定性以及有限的工作电压窗口是当前水性电解质必须处理的一些问题。保持与锌阳极和阴极的兼容性，同时提高离子电导率，应该是未来电解质研究的首要任务。研究可以提高锌离子迁移率并抑制寄生过程的多组分电解质，如离子液体或含有有机分子的混合水溶液。锌离子也可以通过使用配体或络合剂的螯合技术在溶液中稳定，这降低了副反应并提高了电化学稳定性。另一个有前景的方向是创造凝胶或固态电解质，这可以提高在各种操作环境下的稳定性，降低电解质泄漏，提高安全性。

解决副反应、枝晶形成和循环稳定性差等性能问题需要了解AZBs中的反应过程。目前，先进的原位表征技术，包括XRD、基于同步加速器的光谱、电子显微镜和XPS和拉曼光谱等光谱技术，被用于研究这些系统。这些技术允许实时监测界面演变、锌离子传输和充放电循环中的结构变化。分子动力学模拟和计算建模也经常用于预测反应途径、锌离子运动和沉积过程的能量学。为了揭示复杂的反应动力学和界面相互作用，需要将多尺度计算技术与实验发现相结合。通过机器学习引导的发现等复杂技术，可以加速新机制的识别和新电极或电解质行为的预测。此外，通过使用原位扫描电化学显微镜等复杂方法研究动态表面，可以更深入地了解局部副反应和枝晶生长。研究应侧重于离子传输动力学、界面现象以及电解质成分如何影响反应途径，以全面了解AZBs过程。这些方法将有助于提升循环稳定性、可逆性和整体性能的方案，为水系锌基电池的实际应用铺平道路。

文献信息

Aqueous Zinc-Based Batteries: Active Materials, Device Design, and Future Perspectives，

来源：小周说科技