郭再萍/蔡琼Science子刊: 极端温度下锌金属电池电解液的原理和未来展望

近年来新兴的可充电锌金属电池（ZMB）在极端温度下的性能备受关注，但大多数电解液研究并未提供完整的物理特性或实际测试方案，因此难以评估其真实性能。此外，目前缺乏对电解液设计原则和适用于恶劣温度条件下具有挑战性应用的电解液前景的综述。

图1. 恶劣温度下ZMB电解液面临的主要挑战总结

在此，澳大利亚阿德莱德大学郭再萍教授、英国萨里大学蔡琼等人从温度方面全面综述了电解液的发展，以指导未来用于恶劣条件下电解液性能的研究。首先，作者揭示了温度作为ZMB故障原因背后的基本原理，并根据电解液类型（水系和全有机）和温度推荐设计原则。

在零度以下的低温下，电解液的离子电导率不足和离子迁移缓慢导致能量和功率密度差。电解液的冻结会损害电极和电解液之间的接触，导致更高的界面电阻甚至电池故障。在高温下，溶剂的快速挥发导致电池膨胀和盐的沉淀，极大地影响电池的稳定性。

然后，作者对4种不同电解液策略的当前进展进行了深入讨论和比较，包括浓缩水系电解液、有机溶剂型非水系电解液、用于水系电解液的防冻添加剂/助溶剂、抗冻水凝胶电解质。

图2. 用于极端温度应用的ZMB电解液设计原则

目前ZMB的工业开发还处于起步阶段，因为这些电池目前在实际测试协议下，即在恶劣环境下工业方法测试的性能较差。尽管有各种关于提高ZMB整体性能的创新研究，但仍仅限于实验室规模。具体而言，实验室研究通常忽略了其他因素，如正极负载、电解液用量、金属负极厚度、安全性和成本，不适合实际应用。尽管现在要求为用于ZMB的电解液制定具体的实际测试协议可能还为时过早，但目前对电解液的基础研究至少应强调这些方向：

（i）工作温度范围，

（ii）工作电压窗口，

（iii）与正极材料和锌负极的相容性，

（iv）与其匹配的正/负极的安全考虑和剂量。本综述主要针对锌离子电池电解液的温度适应策略，但也可能对其他电池研究具有参考价值，因为这些电解液具有非常相似的基本原理。

图3. 电解液设计策略和溶剂/添加剂/助溶剂的潜在候选者

From room temperature to harsh temperature applications: Fundamentals and perspectives on electrolytes in zinc metal batteries, Science Advances 2022. DOI: 10.1126/sciadv.abn5097

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