InfoMat：水系锌基可充电池：最新进展和未来展望

受益于高安全性、丰富储量、低成本和高能量密度的优势，水系锌基可充电池（AZBs）作为有前景的储能候选者受到了广泛关注。为了获得具有高可逆性和能量密度的高性能AZBs，人们致力于通过专注于电极材料和电解液的改性来克服其缺点。

加拿大魁北克大学国家科学研究院Shuhui Sun、Gaixia Zhang、中国地质大学（武汉）杨华明等系统地总结了具有不同氧化还原机制的AZBs的最新进展，包括嵌入/脱出反应、双重溶解/沉积反应、氧化还原对机制、氧基电化学和CO₂电化学。除了锌负极和电解液的开发之外，还讨论了各种类型的正极材料和提高电化学性能的策略。最后，总结了AZBs面临的剩余挑战，并提出了进一步研究的观点。

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图1. 碱性电解液中锌电极问题的示意图

锌负极：为提高AZBs的循环寿命，大量的努力致力于解决锌负极面临的问题。在碱性和温和电解液中，锌负极表现出不同的反应机制、氧化还原电位和挑战。碱性电解液中的锌电极有五个主要问题，包括锌电极腐蚀或溶解、形状变化、钝化（致密的ZnO层）、枝晶生长和析氢。

与碱性系统相比，在温和电解液中可以避免锌钝化和形状变化。然而，大多数水系盐电解液的弱酸性会导致锌电极腐蚀的问题。温和电解液中存在持续消耗电解液的严重副反应（H₂析出）。因此，应更多地研究影响锌腐蚀和钝化行为的关键因素，如锌电极的形态结构和添加剂、电解液的pH值、盐类和电解液添加剂。

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图2. 锌负极的碳纳米壳设计示意图

电解液：锌负极的行为也与电极/电解液相互作用密切相关。固态电解质的开发或液态电解质的优化，涉及锌盐类别、盐浓度和添加剂，对于实现高效的锌沉积/剥离至关重要。与ZnSO₄电解液相比，具有较低溶剂化效应的Zn(CF₃SO₃)₂、Zn(TFSI)₂和Zn(OTf)₂电解液表现出优异的电化学性能。

此外，采用超浓电解液或盐包水电解液是拓宽电化学窗口、减少水致副反应的有效途径。基于碱性和酸性电解液中HER和OER的高过电位，已经提出了一种电解液去耦策略，以拓宽电化学窗口并最大化电池的全部潜力。电解液体系的合理设计是扩大其电化学稳定窗口和优化锌电极行为的有效方法。应加大力度开发先进的电解液体系，探索新的电解液盐或电解液添加剂，进一步提高电池性能。

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图3. 具有不同电解液和不同机制的水系锌基电池系统的总结

正极：开发高稳定性、高容量和高效的正极材料对AZBs的应用也至关重要。对于涉及Zn²⁺嵌入/脱嵌的锌离子电池，Zn²⁺缓慢的扩散动力学导致正极材料的选择有限。在这些正极材料中，锰基氧化物因其相对较高的工作电压和较高的比容量而备受关注。然而，水系电解液中的大多数正极材料仍然存在容量低的问题。

为避免由Zn²⁺低迁移率引起的问题，已经提出了涉及Li/Na/K/Mg/Al嵌入/脱嵌的水系锌杂化电池(AZHBs)以提高其电化学性能。除了具有嵌入/脱嵌化学的锌基电池外，开发高效的正极催化剂对于实现高性能锌-空电池和锌- CO₂电池至关重要。然而，大多数无机碳基催化剂显示出有限的电催化活性和稳定性。探索获得有效活性位点或调节其电子状态的新策略在未来非常有前景。

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图4. 锌基电池几种代表性放电机制

Aqueous Zn-based rechargeable batteries: Recent progress and future perspectives. InfoMat 2021. DOI: 10.1002/inf2.12265

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