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周豪慎/楊慧軍ACS Energy Lett.觀點(diǎn): 水活性調(diào)控引領(lǐng)未來水系鋅電發(fā)展！

目前，水分子的高活性仍然對鋅離子電池構(gòu)成威脅，導(dǎo)致鋅負(fù)極過早失效、正極溶解和低溫性能較差。鑒于對水分子狀態(tài)及其與鋅離子電池性能的交織關(guān)聯(lián)的了解較淺，因此，迫切需要強(qiáng)調(diào)調(diào)節(jié)水分活度的重要性并總結(jié)水系鋅離子電池的最新進(jìn)展。

在此，日本筑波大學(xué)周豪慎教授、產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合研究所（AIST）楊慧軍等人總結(jié)了有關(guān)抑制水活性方法的開創(chuàng)性研究，以及對控制水系電解液特性的分子水平相互作用的全面和基本理解。

首先，作者詳細(xì)介紹了水分子與鋅金屬負(fù)極的相互作用。然后，總結(jié)了解決與鋅負(fù)極相關(guān)問題的策略，包括增加水系電解液鹽濃度、有機(jī)/離子液體電解液、配體輔助水系電解液、構(gòu)建先進(jìn)界面、凝膠/膠體電解質(zhì)等。同時，正極材料在運(yùn)行過程中會因水在介質(zhì)中的溶解而導(dǎo)致容量顯著衰減，濃縮電解質(zhì)溶液或通過配體輔助電解液的創(chuàng)新可緩解穿梭問題并有利于電池循環(huán)。在低溫條件下，氫鍵和離子相互作用的強(qiáng)度在溶液中應(yīng)很好地平衡以獲得最低的固液轉(zhuǎn)變溫度。此外，具有配體的電解液工程也是提高水系鋅離子電池低溫性能的有效策略。

圖1. 鋅負(fù)極上的界面副反應(yīng)示意圖

最后，作者總結(jié)了水系鋅離子電池未來發(fā)展的挑戰(zhàn)：

（1）實(shí)際應(yīng)用需要無負(fù)極電池或使用有限量的鋅金屬作為負(fù)極，這進(jìn)一步挑戰(zhàn)了鋅的可逆性；

（2）具有高面積容量和貧電解液狀態(tài)的深度循環(huán)負(fù)極對于實(shí)現(xiàn)具有更高能量密度和更低成本的水系電池至關(guān)重要；

（3）低溫下離子電導(dǎo)率不足仍然是一個問題，犧牲了電池倍率性能；

（4）高溫時水的揮發(fā)性、與鋅負(fù)極的反應(yīng)限制了其高溫下的應(yīng)用。

因此，為實(shí)現(xiàn)完全實(shí)用的水系鋅離子電池，應(yīng)進(jìn)一步努力降低水的活性。配體輔助電解液有望成為未來研究甚至實(shí)際應(yīng)用的最有希望的候選者：一方面，多功能電解質(zhì)可根據(jù)配體的選擇而變化，待探索的配體空間十分廣闊；同時，配體的引入有望重組電解液的溶劑化結(jié)構(gòu)或破壞氫鍵，從而在鋅負(fù)極可逆性、正極穩(wěn)定性和低溫性能方面產(chǎn)生巨大差異。

圖2. 配體輔助水系電解液的研究示例

Regulating Water Activity for Rechargeable Zinc-Ion Batteries: Progress and Perspective, ACS Energy Letters 2022. DOI: 10.1021/acsenergylett.2c01152

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