稳定锌金属负极的电解液改性策略

综述背景

为满足可持续发展的需要，人们对电能储存的需求越来越高，从而推动了对新型电池系统的研究和发展，其中水系锌离子电池(AZIBs)因其低成本、高安全性和环境友好等优势而备受关注。众多研究工作者在设计和开发高性能AZIBs方面已经做出很多尝试，但仍面临不少严峻挑战。其中，锌金属负极上不可控的锌枝晶和各种副反应等问题极大地阻碍了AZIBs的发展。有鉴于此，暨南大学麦文杰教授和孙鹏副教授团队近日在Adv. Funct. Mater.发表相关综述论文，通过系统介绍AZIBs的原理、电解液的结构和性质以及锌负极所面临的挑战，重点讨论了通过各种电解液改性策略优化锌负极稳定性的调控机制和重要进展，并进一步探讨当前电解液改性策略面临的挑战以及未来的潜在发展方向。

综述亮点

重点关注水系锌离子电池(AZIBs)负极所面临的挑战，包括锌枝晶、副反应以及较窄的电化学稳定窗口，并深入探讨其潜在机制。

详细讨论了通过各种策略(包括盐优化、浓度优化、添加剂工程、共溶剂电解液、共晶电解液和水凝胶电解液)实现对体相电解液和电极/电解液界面两个主要方面进行调控的方法，并根据不同的机制对各种优化策略进行了系统分类。

总结了目前电解液改性方法在提高锌负极稳定性方面的瓶颈，并对未来进一步稳定锌负极及提升AZIBs全电池性能的发展方向进行展望。

图文导读

图1. AZIBs的组成和结构示意图.

 

图2. 锌负极面临的常见问题.

图3. 锌负极副反应的相关问题.

图4.锌枝晶形成过程示意图.

图5.电解液调控锌负极稳定性的部分挑选代表性工作的时间进展情况.

图6.本综述讨论的重要内容总结和未来展望.

总结与展望

本文系统地讨论了通过各种机制各异的电解液策略实现长寿命锌负极，致力于解决AZIBs当前面临的稳定性差等关键挑战。同时，也思考了未来电解液调控相关研究的潜在发展方向：

√AZIBs的长期循环寿命在很大程度上取决于锌负极的稳定性。未来的新型电解液调控策略，应同时考虑提高锌负极的利用率(可通过放电性能的深度来评估)，进一步优化锌负极可逆镀层/剥离的库仑效率等相关作用，从而节省金属锌的用量，在未来的商业化过程降低AZIBs的总成本。

√对锌负极/电解液界面(EEI)进行原位表征仍然相当困难。目前常用的对EEI精确成分进行表征方法中，样品很容易受到大气环境污染。因此，需要开发更先进的原位测量技术以更准确地表征Zn2+在EEI处的镀层/剥离行为以及Zn金属表面的成分。

√除了纯水系电解液外，共晶电解液和水凝胶电解液也是稳定锌负极的理想选择。与传统电解液相比，这两种特殊电解液中具有更少的自由水分子，可以很大程度避免副反应，提供更宽的ESW和更宽的温度窗口。

√除了锌负极的问题外，AZIBs还面临着其他挑战，如电池循环中正极的不可逆损耗、嵌入过程中Zn2+诱导产生的副产物、体相电解液中离子迁移过程的动力学差等。因此，利用电解液工程来同时稳定储锌正极和锌负极是提高锌离子全电池整体性能的较优策略。

√稳定温度窗口也是阻碍AZIBs发展的一个重要因素。要拓宽AZIBs的工作温度窗口，必须采用精确的电解液成分设计和水分子四面体结构分布调控等解决手段，以精确调节盐成分、添加剂和溶剂水之间的相互作用，从而提升低温下和高温下电解液的相稳定及高效离子迁移等性质。

√距离AZIBs的大规模应用还有很长的路要走，我们可以从其他研究更为成熟的相关领域借鉴，如锂离子电池、钠离子电池、甚至表面化学和金属冶炼等研究方向。将有关的经验合理地运用到AZIBs体系中，有助于探索新的机理，以实现整体性能的突破。

审核编辑：刘清