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近年來新興的可充電鋅金屬電池（ZMB）在極端溫度下的性能備受關(guān)注，但大多數(shù)電解液研究并未提供完整的物理特性或?qū)嶋H測試方案，因此難以評估其真實性能。此外，目前缺乏對電解液設(shè)計原則和適用于惡劣溫度條件下具有挑戰(zhàn)性應(yīng)用的電解液前景的綜述。

圖1. 惡劣溫度下ZMB電解液面臨的主要挑戰(zhàn)總結(jié)

在此，澳大利亞阿德萊德大學(xué)郭再萍教授、英國薩里大學(xué)蔡瓊等人從溫度方面全面綜述了電解液的發(fā)展，以指導(dǎo)未來用于惡劣條件下電解液性能的研究。首先，作者揭示了溫度作為ZMB故障原因背后的基本原理，并根據(jù)電解液類型（水系和全有機(jī)）和溫度推薦設(shè)計原則。

在零度以下的低溫下，電解液的離子電導(dǎo)率不足和離子遷移緩慢導(dǎo)致能量和功率密度差。電解液的凍結(jié)會損害電極和電解液之間的接觸，導(dǎo)致更高的界面電阻甚至電池故障。在高溫下，溶劑的快速揮發(fā)導(dǎo)致電池膨脹和鹽的沉淀，極大地影響電池的穩(wěn)定性。

然后，作者對4種不同電解液策略的當(dāng)前進(jìn)展進(jìn)行了深入討論和比較，包括濃縮水系電解液、有機(jī)溶劑型非水系電解液、用于水系電解液的防凍添加劑/助溶劑、抗凍水凝膠電解質(zhì)。

圖2. 用于極端溫度應(yīng)用的ZMB電解液設(shè)計原則

目前ZMB的工業(yè)開發(fā)還處于起步階段，因為這些電池目前在實際測試協(xié)議下，即在惡劣環(huán)境下工業(yè)方法測試的性能較差。盡管有各種關(guān)于提高ZMB整體性能的創(chuàng)新研究，但仍僅限于實驗室規(guī)模。具體而言，實驗室研究通常忽略了其他因素，如正極負(fù)載、電解液用量、金屬負(fù)極厚度、安全性和成本，不適合實際應(yīng)用。盡管現(xiàn)在要求為用于ZMB的電解液制定具體的實際測試協(xié)議可能還為時過早，但目前對電解液的基礎(chǔ)研究至少應(yīng)強調(diào)這些方向：

（i）工作溫度范圍，

（ii）工作電壓窗口，

（iii）與正極材料和鋅負(fù)極的相容性，

（iv）與其匹配的正/負(fù)極的安全考慮和劑量。本綜述主要針對鋅離子電池電解液的溫度適應(yīng)策略，但也可能對其他電池研究具有參考價值，因為這些電解液具有非常相似的基本原理。

圖3. 電解液設(shè)計策略和溶劑/添加劑/助溶劑的潛在候選者

From room temperature to harsh temperature applications: Fundamentals and perspectives on electrolytes in zinc metal batteries, Science Advances 2022. DOI: 10.1126/sciadv.abn5097

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郭再萍/蔡瓊Science子刊: 極端溫度下鋅金屬電池電解液的原理和未來展望

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