第一作者：Jiahao Chen, Zhongfu Yan, Kun Li
通訊作者：Anjun Hu, Miao He, Jianping Long
單位：成都理工大學，新加坡科學技術研究局 (A*STAR)
【研究背景】
水系鋅基電池具有高安全性、低成本和令人滿意的能量密度等優點，被認為是未來儲能系統中最有前途的候選材料之一。然而鋅負極處發生的枝晶生長猖獗，副反應嚴重等問題阻礙了其進一步發展。近年來，越來越多的研究表明，副反應的發生與電解質中屬於Zn2+溶劑化結構的活性水分子密切相關，透過調節兩者之間的關系來減少副反應的發生已被證明是一條可靠的途徑。然而，缺乏對該路線的內在機制和實際套用的系統總結。亟需從內在機理出發，對透過調節Zn2+與pO的關系來抑制副反應的實驗策略進行全面綜述，分析其進一步實施的的潛力及未來改性手段。
【文章簡介】
基於此， 成都理工大學龍劍平教授課題組聯合新加坡科學技術研究局Zhi Wei Seh研究員 在國際期刊 Battery Energy 上發表題為「 Regulating the relationship between Zn2+ and water molecules in electrolytes for aqueous zinc-based batteries 」的綜述文章。本綜述首先討論了水分子在鋅負極溫和電解質的熱力學、傳質和成核過程中的意義。此外，還深入研究了水分子對鋅負極構成的電化學挑戰和問題。隨後，提供了與該主題相關的問題和策略的全面分類，並進行了對該主題的更深層次的探索。最後，提出了水系鋅基電池鋅負極面臨的挑戰和未來的發展前景。
【內容表述】
鋅負極容量退化快、充電效率低，阻礙了其在可充電電池中的商業化套用。這一問題的主要原因是鋅枝晶的猖獗生長，鋅負極的腐蝕和副反應不受控制。這些問題無疑與水電解質中pO分子的存在有著密不可分的聯系。
圖1 鋅負極上枝晶、副反應和腐蝕現象的示意圖
pO作為水溶液電解質的基礎和關鍵成分，為Zn2+的快速運輸創造了適宜的環境，顯著提高了AZB的電化學效能。然而，由於pO的極性性質，Zn2+不會在電解質中孤立存在。相反，它與水分子形成高度有序和結構化的結合，稱為溶劑化殼結構.因此，當Zn2+在電極和電解質之間發生氧化還原反應時，不可避免地會涉及到pO。
圖2 水分子在電解質的中熱力學、傳質和成核過程中的作用機理
為了解決上述挑戰，研究水和溶劑化殼在水溶液中的作用至關重要。人們參考了鋰金屬電池的改性方法，在鋅和電解質之間設計了具有類似SEI功能的界面層。根據材料的類別對界面層進行了分類，並總結了它們如何調節Zn2+−pO關系，從而根據不同的機制和改性策略改善Zn負極的效能。從電解質添加劑、高濃度電解質(WIS)和深共晶電解質三部份來討論電解質工程。電解質的性質和組成對鋅負極上Zn2+和pO的關系的調節有重要影響。除了鋅負極的界面工程外，電解質本身對鋅負極的電化學行為、穩定性和整體效能起著舉足輕重的作用。
圖3 鋅離子和水分子之間關系的調控策略
【總結與展望】
盡管現階段取得了令人滿意的進展，但對於如何更有效地調節Zn2+和pO之間的關系，本文提出了三個觀點，以徹底解決AZB大規模商業化所面臨的挑戰。（1）有必要對鋅負極的機理部份進行更詳細的研究。（2）必須開發先進的材料和創新的改性思想，特別是當多種改性策略相結合時。（3）需要進一步研究表征試驗和理論計算模擬的先進方法。
圖4 水系鋅基電池的展望
Chen J, Yan Z, Li K, et al. Regulating the relationship between Zn2+ and water molecules in electrolytes for aqueous zinc-based batteries. Battery Energy. 2023; DOI:10.1002/bte2.20230063
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