鋅負(fù)極在可充電水系電池中的發(fā)展與挑戰(zhàn)

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(diǎn)，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(fù)極存在鋅枝晶和副反應(yīng)等問題，嚴(yán)重縮短了電池循環(huán)壽命，制約了其實(shí)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(rèn)識，討論了當(dāng)前鋅電極保護(hù)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(jì)高穩(wěn)定性鋅電極的觀點(diǎn)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(xué)學(xué)院(UCL)。

綜述要點(diǎn)

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(fù)極面臨的問題。

深入描述了鋅離子電池中針對鋅負(fù)極優(yōu)化策略的優(yōu)缺點(diǎn)和最新研究進(jìn)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(dǎo)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(jī)制主要基于Zn2+的嵌入/脫出機(jī)制，放電過程中，鋅負(fù)極失去電子，氧化為Zn2+，Zn2+隨后嵌入正極。

圖2. 鋅負(fù)極面臨的問題.

▲Zn金屬可直接用作負(fù)極。ZIBs 的大多數(shù)研究都使用商業(yè)鋅箔作為 ZIBs 研究的負(fù)極。然而，鋅負(fù)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(jì)鋅負(fù)極的復(fù)合納米結(jié)構(gòu)，在鋅負(fù)極表面添加保護(hù)層，在電解液中加入添加劑進(jìn)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(fù)極的綜合分析，包括電子結(jié)構(gòu)分析、化學(xué)成分分析、形態(tài)結(jié)構(gòu)分析、結(jié)晶度分析和電化學(xué)評價(jià)。

此外，可以進(jìn)行模擬和計(jì)算，以對鋅負(fù)極的失效機(jī)制和保護(hù)策略的有效性提供合理的預(yù)測和原子級解釋。

研究總結(jié)

鋅負(fù)極：更多的研究需要集中在可以通過“原位”過程生成保護(hù)層的簡單方法上。同時(shí)，可控鋅沉積的內(nèi)在機(jī)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(diǎn)的分布以及鋅離子在表面的遷移，這對于設(shè)計(jì)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(shí)，需要保持高離子電導(dǎo)率、寬工作電壓窗口和環(huán)境友好性。同時(shí)，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(jìn)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(fù)極/電解質(zhì)界面發(fā)生的實(shí)時(shí)變化。

正極：在電解液中添加有效添加劑可以實(shí)現(xiàn)保護(hù)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(jī)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(bào)道。

審核編輯：劉清