穩(wěn)定鋅金屬負極的電解液改性策略

綜述背景

為滿足可持續(xù)發(fā)展的需要，人們對電能儲存的需求越來越高，從而推動了對新型電池系統(tǒng)的研究和發(fā)展，其中水系鋅離子電池(AZIBs)因其低成本、高安全性和環(huán)境友好等優(yōu)勢而備受關(guān)注。眾多研究工作者在設(shè)計和開發(fā)高性能AZIBs方面已經(jīng)做出很多嘗試，但仍面臨不少嚴峻挑戰(zhàn)。其中，鋅金屬負極上不可控的鋅枝晶和各種副反應(yīng)等問題極大地阻礙了AZIBs的發(fā)展。有鑒于此，暨南大學麥文杰教授和孫鵬副教授團隊近日在Adv. Funct. Mater.發(fā)表相關(guān)綜述論文，通過系統(tǒng)介紹AZIBs的原理、電解液的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)以及鋅負極所面臨的挑戰(zhàn)，重點討論了通過各種電解液改性策略優(yōu)化鋅負極穩(wěn)定性的調(diào)控機制和重要進展，并進一步探討當前電解液改性策略面臨的挑戰(zhàn)以及未來的潛在發(fā)展方向。

綜述亮點

重點關(guān)注水系鋅離子電池(AZIBs)負極所面臨的挑戰(zhàn)，包括鋅枝晶、副反應(yīng)以及較窄的電化學穩(wěn)定窗口，并深入探討其潛在機制。

詳細討論了通過各種策略(包括鹽優(yōu)化、濃度優(yōu)化、添加劑工程、共溶劑電解液、共晶電解液和水凝膠電解液)實現(xiàn)對體相電解液和電極/電解液界面兩個主要方面進行調(diào)控的方法，并根據(jù)不同的機制對各種優(yōu)化策略進行了系統(tǒng)分類。

總結(jié)了目前電解液改性方法在提高鋅負極穩(wěn)定性方面的瓶頸，并對未來進一步穩(wěn)定鋅負極及提升AZIBs全電池性能的發(fā)展方向進行展望。

圖文導讀

圖1. AZIBs的組成和結(jié)構(gòu)示意圖.

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圖2. 鋅負極面臨的常見問題.

圖3. 鋅負極副反應(yīng)的相關(guān)問題.

圖4.鋅枝晶形成過程示意圖.

圖5.電解液調(diào)控鋅負極穩(wěn)定性的部分挑選代表性工作的時間進展情況.

圖6.本綜述討論的重要內(nèi)容總結(jié)和未來展望.

總結(jié)與展望

本文系統(tǒng)地討論了通過各種機制各異的電解液策略實現(xiàn)長壽命鋅負極，致力于解決AZIBs當前面臨的穩(wěn)定性差等關(guān)鍵挑戰(zhàn)。同時，也思考了未來電解液調(diào)控相關(guān)研究的潛在發(fā)展方向：

√AZIBs的長期循環(huán)壽命在很大程度上取決于鋅負極的穩(wěn)定性。未來的新型電解液調(diào)控策略，應(yīng)同時考慮提高鋅負極的利用率(可通過放電性能的深度來評估)，進一步優(yōu)化鋅負極可逆鍍層/剝離的庫侖效率等相關(guān)作用，從而節(jié)省金屬鋅的用量，在未來的商業(yè)化過程降低AZIBs的總成本。

√對鋅負極/電解液界面(EEI)進行原位表征仍然相當困難。目前常用的對EEI精確成分進行表征方法中，樣品很容易受到大氣環(huán)境污染。因此，需要開發(fā)更先進的原位測量技術(shù)以更準確地表征Zn2+在EEI處的鍍層/剝離行為以及Zn金屬表面的成分。

√除了純水系電解液外，共晶電解液和水凝膠電解液也是穩(wěn)定鋅負極的理想選擇。與傳統(tǒng)電解液相比，這兩種特殊電解液中具有更少的自由水分子，可以很大程度避免副反應(yīng)，提供更寬的ESW和更寬的溫度窗口。

√除了鋅負極的問題外，AZIBs還面臨著其他挑戰(zhàn)，如電池循環(huán)中正極的不可逆損耗、嵌入過程中Zn2+誘導產(chǎn)生的副產(chǎn)物、體相電解液中離子遷移過程的動力學差等。因此，利用電解液工程來同時穩(wěn)定儲鋅正極和鋅負極是提高鋅離子全電池整體性能的較優(yōu)策略。

√穩(wěn)定溫度窗口也是阻礙AZIBs發(fā)展的一個重要因素。要拓寬AZIBs的工作溫度窗口，必須采用精確的電解液成分設(shè)計和水分子四面體結(jié)構(gòu)分布調(diào)控等解決手段，以精確調(diào)節(jié)鹽成分、添加劑和溶劑水之間的相互作用，從而提升低溫下和高溫下電解液的相穩(wěn)定及高效離子遷移等性質(zhì)。

√距離AZIBs的大規(guī)模應(yīng)用還有很長的路要走，我們可以從其他研究更為成熟的相關(guān)領(lǐng)域借鑒，如鋰離子電池、鈉離子電池、甚至表面化學和金屬冶煉等研究方向。將有關(guān)的經(jīng)驗合理地運用到AZIBs體系中，有助于探索新的機理，以實現(xiàn)整體性能的突破。

審核編輯：劉清