綜述背景

水系可充電鋅離子電池由于其安全性高、成本低、資源豐富和生態(tài)友好等優(yōu)點，近年來引起了越來越多的研究興趣。然而，水系鋅離子電池中鋅負極存在鋅枝晶和副反應(yīng)等問題，嚴重縮短了電池循環(huán)壽命，制約了其實際應(yīng)用。在這篇綜述中，主要揭示了對枝晶形成、腐蝕和析氫等現(xiàn)有問題的基本認識，討論了當前鋅電極保護和水系電解液中電解液調(diào)控的現(xiàn)有策略。此外，總結(jié)了用于分析電極和電解液之間相互作用的現(xiàn)有技術(shù)。此外，還提供了設(shè)計高穩(wěn)定性鋅電極的觀點和建議。

本文以題為“Opportunitiesand Challenges of Zinc Anodes in Rechargeable Aqueous Batteries”在國際知名期刊Journal of Materials Chemistry A上發(fā)表。本文第一作者為博士研究生郭曉霞，通訊作者為何冠杰助理教授，通訊單位為倫敦大學學院(UCL)。

綜述要點

詳述了鋅離子電池的工作原理，并綜合性地分析了目前鋅負極面臨的問題。

深入描述了鋅離子電池中針對鋅負極優(yōu)化策略的優(yōu)缺點和最新研究進展。

綜述了鋅離子電池中鋅電極與電解液界面研究涉及到的表征技術(shù)。

圖文導讀

圖1.水系鋅離子電池工作原理示意圖.

▲在鋅離子電池中，儲能機制主要基于Zn2+的嵌入/脫出機制，放電過程中，鋅負極失去電子，氧化為Zn2+，Zn2+隨后嵌入正極。

圖2. 鋅負極面臨的問題.

▲Zn金屬可直接用作負極。ZIBs 的大多數(shù)研究都使用商業(yè)鋅箔作為 ZIBs 研究的負極。然而，鋅負極的商業(yè)應(yīng)用主要受到以下問題的阻礙。

圖 2 展示了鋅表面出現(xiàn)的常見問題，包括：1) 枝晶生長，2) 析氫，3) 腐蝕，以及 4) 鈍化(在堿性電解液中)。

目前的優(yōu)化策略包括設(shè)計鋅負極的復合納米結(jié)構(gòu)，在鋅負極表面添加保護層，在電解液中加入添加劑進行電解液改性，或改變鋅鹽在電解質(zhì)中的濃度等等。

圖3. 鋅電極與電解液界面研究涉及到的表征技術(shù)總結(jié).

▲除了上述針對材料的策略外，分析技術(shù)也是了解電池在充放電過程中具體反應(yīng)的必要工具。

各種表征技術(shù)可以提供對鋅負極的綜合分析，包括電子結(jié)構(gòu)分析、化學成分分析、形態(tài)結(jié)構(gòu)分析、結(jié)晶度分析和電化學評價。

此外，可以進行模擬和計算，以對鋅負極的失效機制和保護策略的有效性提供合理的預測和原子級解釋。

研究總結(jié)

鋅負極：更多的研究需要集中在可以通過“原位”過程生成保護層的簡單方法上。同時，可控鋅沉積的內(nèi)在機制仍不清楚。鍍鋅/剝離過程的原位表征可以捕獲枝晶形成的初始狀態(tài)、成核位點的分布以及鋅離子在表面的遷移，這對于設(shè)計高穩(wěn)定性鋅陽極非常重要。

電解液：最重要的原則是保證其與電極穩(wěn)定存在。同時，需要保持高離子電導率、寬工作電壓窗口和環(huán)境友好性。同時，需要充分考慮不同電解液添加劑對正極材料的影響。需要通過先進的原位表征技術(shù)來揭示未知的界面現(xiàn)象，以全面了解鋅負極/電解質(zhì)界面發(fā)生的實時變化。

正極：在電解液中添加有效添加劑可以實現(xiàn)保護正極、提高循環(huán)穩(wěn)定性、提高容量和工作電壓等作用。然而，仍有許多問題需要解決。例如，使用添加劑，許多反應(yīng)機制仍不清楚；目前還沒有關(guān)于添加劑對不同正極材料廣泛適用性的報道。

審核編輯：劉清