南洋理工范红金教授Matter综述：水系锌金属电池中SICEs的潜力！

第一作者：杨金霖

通讯作者：范红金

通讯单位：新加坡南洋理工大学

论文速览

水系锌电池（AZBs）因其高安全性、高成本效益、低制造成本和优异的体积容量而被视为有前途的能量存储系统。然而，锌金属阳极上锌枝晶生长和自发的析氢反应（HERs）阻碍了AZBs的广泛应用。

为了解决这些问题，设计单离子传导电解质（SICEs）以实现单离子传导至关重要。单离子导电电解质（SICEs）的关键目标是在最小牺牲离子电导率（σ）的情况下提高阳离子迁移数（t）。

SICEs通过最小化离子浓度梯度并同时通过抑制阴离子的迁移率来抑制松散的去质子化氧化物物种钝化，而有效减轻枝晶形成。本文综述了SICEs的基础原理和最新进展，并提出了在贫水条件下打破t和s之间平衡的一些策略。文中还批判性地讨论了锌离子传输数的测试方法。本文的主要目的是为SICEs的进一步发展提供指导，以促进AZBs的能量密度和寿命。

图文导读

图1：展示了锌对称电池的示意图、离子浓度和电势随时间的变化、不同时间下的锌沉积形貌、高电流和低电流情况下的电势变化以及SICEs对阴极利用率和活性物质保持的影响。此外，还比较了不同类型的SICEs和完全解离的双离子传导电解质（DICEs）的属性。

图2：展示了通过共价键连接的SICEs，包括聚合物/水凝胶基SICEs和由磺酸基改性的共价有机框架（COF）和聚丙烯酰胺（PAM）水凝胶组成的混合SICE，以及无溶剂的ZnMOF-808 SICE和Zn(AATZ)₂ SICE。

图3：展示了带有阴离子受体的SICEs，包括基于酸性陶瓷和环形分子受体的稀/共晶液态电解质，以及聚乙烯醇（PEO）链被环形分子受体环绕的中性水凝胶和具有酰胺基团基于受体的Kevlar水凝胶。

图4：探讨了未来SICEs的可能性，包括聚阴离子、电子吸引基团（EWGs）和柔性水凝胶段改善增塑剂效应，以及增强Zn²⁺溶解效应的添加剂。

图5：讨论了链几何结构和阴离子受体对未来SICEs的影响，包括对Zn²⁺溶解结构的影响、具有有序通道的水凝胶基SICE、sp2杂化硼酸酯基受体用于阴离子捕获、通过p-p堆叠相互作用捕获阴离子的受体，以及EWGs对多阳离子中心金属d轨道分裂的影响。

图6：展示了测量阳离子传输数的方法，包括Nyquist图、电流-时间曲线、极化电位与电流中断时间的图、浓度电池的输出电压和液接电位测量的示意图，以及67Zn PFG-NMR谱和67Zn峰的积分强度随指数变化的函数图。

图7：总结了SICEs在水系锌电池中的属性和功能，并提出了未来研究的建议。

总结展望

本文综述了水系锌金属电池中SICEs的潜力，这些电解液通过降低浓度极化来抑制枝晶生长和减少HER倾向。近年来，已经开发出来多种形式的SICEs，包括聚合物、水凝胶、金属/共价有机框架和晶体硫化物。尽管取得了显著进展，但在水系锌金属电池中应用SICEs时，如何在tZn²⁺和s之间取得平衡仍然是一个挑战。

未来的研究应关注以下几个方面：SICE对阴极材料退化的影响、SICE与电极之间界面的稳定性、SICE的物理性能、通过理论模拟和机器学习进行快速筛选和优化，以及AZBs在软包电池形式下的实际应用性能。预计SICEs将为开发具有长寿命、高安全性和良好能量密度的AZBs提供机会。

文献信息

标题：Designing single-ion conductive electrolytes for aqueous zinc batteries

期刊：Matter