nazar 看过锂离子电池、钠离子电池，现在来看看锌离子电池怎么做？加拿大 Linda. F Nazar团队最新解读！

■来源|微云平台

研究背景

锌离子电池因其良好的安全性、低成本和优异的电化学性能，近年来引发了铺天盖地的文献报道热潮。作为后锂离子电池的典型代表，对锌离子电池更深入的研究周期已经到来，即研究控制锌储存性能的潜在因素。那么目前锌离子电池的瓶颈在哪里呢？未来的发展方向是什么？

成果介绍

最近，琳达教授。加拿大滑铁卢大学的f·纳扎尔在焦耳上发表了一篇题为“实现锌离子电池的科学挑战”的总结文章。这篇综述的重点是了解研究人员最不了解的锌离子电池的基本化学问题。同时也为锌离子电池的研究提供了以下方面的指导:(1)水体系中质子/Zn2+共插层的巨大挑战；(2)通常伴随着ZIB电化学的转化化学的局限性；(3)Zn2+在非水电解质和有机阴极材料中简单嵌入的积极方面；(4)电解质-电极界面脱溶损失；(5)控制锌枝晶生长的策略，以及(6)该领域电化学研究的建议。

图解指南

图1锌离子电池示意图及本文讨论的主题

1.水系锌离子电池负极材料

研究人员发现，当氧化物材料用作阴极材料时，通常是Zn2+和H+的共插层反应机理。当不使用氧化物材料时，通常只嵌入Zn2+。两者的区别在于界面。对于大多数氧化物或磷酸盐材料，界面通常是羟基封端的或水合的。

1.氧化物材料

(1)转化的氧化锰和氧化钴

二氧化锰被认为是水系统中最有可能实现锌离子电池产业化的材料。锌锰电池的电荷储存机制是一种转化反应机制，因此活性物质在循环过程中会发生显著的结构转变。由这种基于转换的过程引起的应力和应变的累积将使电极与集电器分离，并降低电化学性能。因此，尽管锰基材料具有经济优势，但也研究了几种其他过渡金属氧化物作为锌离子电池的阴极材料，例如钒基材料。对于Zn||MnO2电池，商业化面临的最大挑战有:(1)Mn2+溶解与MnO2沉积的竞争；(2)阳离子插层机理的合适表征方法；(3)阴极材料的优化。

除了氧化锰，氧化钴也是一种典型的转化阴极材料。研究发现，大多数报道的Co 3O 4尖晶石正极材料是在碱性电解液中进行的，这与中性电解液中的电化学性质有很大的不同

2.嵌入氧化物:钒基氧化物

Nazar研究小组首次报道了zn0.25v 2o5nh2o作为锌离子储存的阴极材料(d.kundu，b.d.adams，v.duffort，s.h.vajargah，l.f.nazar，nature energy 2016，1，16119。).受此启发，已报道了多种层状钒氧化物XV 2O 5，其电化学性质与Zn ^ 2+插层完全相似。然后还关注了其他不同成分、不同晶体结构、不同结晶水含量、不同形貌的钒氧化物，如V5O126H2O、V3O7H2O、V10O2412H2O、Liv3O8、Nav3O81.5H2O、VO 2 (b)、Naca0.6V6O163H2O、Zn3V2O7 (OH) 22H2O。

图2。氧化钒的电化学性质:(1)充放电时Zn0.25V2O5的手风琴状行为；不同电流密度下氧化钒的(B-D)充放电曲线

3.聚阴离子材料

到目前为止，已有文献报道Zn ~ (2+)嵌入到聚阴离子中，聚阴离子电极材料的研究为高压阴极材料带来了更多的可能性。但是目前对于多阴离子电极中Zn2+的包埋量和包埋的具体位点的研究很少，更不用说有没有H+共包埋了。

4.非氧化物材料的研究

只有少数非氧化物化学反应能可逆地含有Zn ^ 2+。普鲁士蓝类似物(PBAs)因其具有隧道结构，能够实现快速离子迁移，并在循环过程中具有良好的机械稳定性而得到广泛研究。这允许这些阴极材料在循环过程中保持其初始状态。即使经过数百次循环，仍有相当大的放电容量。最近，发现其他非氧化物材料，如硫化物和有机系统材料，具有良好的锌储存能力。

2.水系锌离子电池综述:驱动Zn2+和H+嵌入的关键因素

从热力学角度来说，嵌入H+应该比嵌入Zn ^ 2+更容易。因此，可以得出结论，水体系中法拉第电荷储存(H+和Zn2+)是由电极-电解质界面的电荷转移动力学(而不是热力学)决定的。

图3。氧化物与非氧化物在水体系中的电化学行为比较:(1)非氧化物中以Zn2+插层为主，氧化物中伴有H+共插层；显示锌|硫酸锌|α-二氧化锰的乳酸脱氢酶沉积和酸碱度演变

三.非水锌离子电池

实际上，锌阳极也可以用于非水体系，在锂离子电池中比石墨阳极(756 mAh·mL-1和372 mAh·g-1)具有更高的体积比容量和质量比容量。锌阳极的使用也带来了其他优点，包括锌的天然丰度高，非水电池中没有或没有可控的固体电解质界面，锌枝晶生长有限等。当然，还有很多科学问题值得进一步研究，包括较高极化率的Zn2+是否比其他二价金属离子如Mg2+、Ca2+更有利于固态体系中的离子扩散。

图4。钴基负极材料在非水锌离子电池中的应用

4.关于锌离子电池电解液的思考

与LIB(或其他单价阳离子)相比，电解质的开发对涉及Zn 2+、Mg 2+或Ca 2+的二价电池系统尤其具有挑战性。在研究锌和镁在非水电解液中的电化学行为时，对应于金属沉积的CV表明锌经历了简单的双电子还原机制，而镁的电沉积过程更为复杂。因此，与其他二价阳离子相比，Zn2+(1)在脱嵌过程中可能不容易形成高活性的中间体，(2)不需要升高温度来简化动力学过程，这是ZIB技术相对于LIB外储能系统的主要优势。这也是开发储能设备用ZIB电解液时需要考虑的一个关键因素。

动词 （verb的缩写）锌盐的选择

锌盐对ZIBs的稳定性和整体电化学性能也有一定的影响。盐中溶剂电解质的概念已被用来解决水电池和非水电池的稳定性和可逆性问题，最近也被用于锌电池系统。报道的20 μm锂铁硅+1 μm锌(TFSI)2混合电解质显示出无枝晶生长和锌沉积/剥离效率接近100%的特征。但是，氟化锂/锌电解质盐往往价格昂贵，大规模生产的经济效益不高。因此，使用低成本的电解质盐如硫酸锌非常重要。此外，一些功能添加剂，如十二烷基硫酸钠，已被证明拓宽电化学窗口Na2SO4+ ZnSO4/H2O约0.5 V

不及物动词关于金属锌负极

为了解决锌阳极的可逆性和稳定性问题，需要考虑以下四个策略:(1)电解液优化；(2)锌金属的表面改性；(3)设计新型贮锌材料；(4)测试方法的发展。磷酸三乙酯和聚乙烯亚胺被认为是锌电解液中最有前途的添加剂。用碳涂层、氧化石墨烯、聚酰胺、碳酸钙和二氧化钛对锌进行表面改性。或基于导电石墨纤维、多功能碳纳米管、泡沫金属等组件3D的锌金属阴极；或者通过巧妙的电化学方法证明对抑制枝晶生长有明显效果。这些研究都是基于对电化学金属镀层的传统认识，但很少有人在更实际的方面考虑会显著影响锌阳极循环性能的因素，如电流密度、沉积或剥离能力、电极间距等。因此，在评价锌的循环寿命时，必须特别注意实验条件。要想避免陷入“炒作周期”，就必须在ZIBs的发展上取得真正的“突破”。

总结展望

1.对未来的实际指导和展望

图5总结了锌离子电池目前面临的挑战和未来的发展方向

目前，许多报道的储锌正极材料都是氧化物材料，在水体系中表现出良好的高速循环稳定性。然而，它在低速率下的循环稳定性往往很差。事实上，高速率下的大部分容量来自电容贡献，而不是真正来自Zn ^ 2+的嵌入。事实上，超高速率试验方法具有误导性，这导致了另一个误解:认为高速率试验下的循环稳定性也适用于低速率试验。虽然笔者认为该领域尚处于起步阶段，不能推荐太多具体的测试方案，但笔者认为必须在文献中提供面积电容、电流密度、电极厚度等具体参数。这些参数对于评价阴极材料的循环性能、枝晶和寿命非常重要。在评价这一领域时，作者还注意到，许多文献没有报告成本分析、腐蚀性能或比容量——更不用说系统的能量密度或体积容量了。这些都是zib未来发展的主要指标。

从基础研究的角度来看，了解阴极和电解质在水体系中的相容性，尤其是质子插层和析氧反应，对于阴极材料的选择和设计至关重要。通过使用快速充电的方法，研究人员只会受益于电容的贡献。其实重要的是要进行细致的物理化学研究，区分真Zn ^ 2+插层和质子插层，探索不同Zn ^ 2+在水介质和非水介质中的插层，进行深入的基础科学研究，了解电极界面的溶剂化或去溶剂化。

对于非水锌离子电池的研究，作者还提出了一些切实可行的建议:(1)开发新的电解质，以保证更强的阴离子溶剂化，进一步破坏电解质中的离子对；(2)开发层间间距大的层状贮锌材料或使用开放骨架有机材料，以利于Zn2+或溶剂化离子的插入；(3)调控阴极材料的表面化学，使其与嵌入的Zn2+形成强结合，降低电极界面的电荷转移阻抗。

图6。水系统锌离子电池的主要进展集中在一些典型参数上:例如，在低电流密度下(1安·克-1)，维持至少80%的循环寿命的初始容量、平均放电比容量和工作电压

1 . https://MP . weixin . QQ . com/s/Z0Nx-LDL 7 tepus 78 sttleq

■免责声明|部分资料来源于互联网，版权归原作者所有。如有侵权，请联系我们处理。微信:_友辽先生。