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在電池系統中，與有機液體、聚合物、無機固態和離子液體電解質相比，水系電解質在離子電導率、界面潤濕性、安全性和環境友好性方面具有優勢。然而，其狹窄的電化學穩定窗口、電極溶解/副反應和溫度變化不穩定性導致了水系可充電電池（ARBs）的能量密度低、循環壽命短和工作溫度窗口有限等問題。

為緩解上述挑戰，英國華威大學陶善文教授等人通過分析具有代表性的開創性工作，綜述了單價/多價離子電池、金屬-空氣電池、金屬-硫屬元素電池、混合電池及氧化還原液流電池等各類電池中水系電解液的發展史。同時，作者對電解液添加劑、pH管理、高濃電解液、凝膠化、溶劑雜化、界面調節和突破鹽溶解度限制等用于緩解水系電解液挑戰的策略進行了詳細總結。

目前，實現高能、高穩定性ARBs的最有效策略是高濃電解液，而鹽成本可能是大規模應用的挑戰。未來若發現更好的非水溶劑，則混合溶劑策略將更具競爭力，這不僅可以降低成本，而且可以產生更穩定的電極/電解液界面。人工 SEI/CEI可能是另一種有前途的方法，但這在技術上比混合溶劑更困難，因此可能需要更長的時間來開發。

圖1. 各種ARB代表性創新作品中水系電解液的發展史

盡管取得了重大進展，但ARBs的進一步商業化仍存在一些潛在挑戰：

1）需要改進對水系電解液的模擬和表征。溶劑化鞘的MD模擬參數和電極-電解液界面的DFT計算應認真預設，而不是刻意預設；對于離子溶劑化結構的實驗表征，拉曼光譜、FTIR和NMR主要用作間接方法，而使用直接方法的報道很少。

2）應重新思考高鹽濃度的必要性。與追求更高濃度的電解液相比，合適的濃度和合理的界面設計更為關鍵。由于高粘度和緩慢的界面過程，高濃度鹽系統中的電極動力學和傳質通常是不理想的。

3）注意產業與學術界的差距。基于有限數量的指標報告性能并不能真實反映實際使用所需的電池性能，了解紐扣電池設計、制造和測試協議對實際結果的影響至關重要。

圖2. 緩解水系電解液挑戰的各種策略機制和實施路徑總結

Historical development and novel concepts upon electrolytes for aqueous rechargeable batteries, Energy & Environmental Science 2022. DOI: 10.1039/D2EE00004K

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陶善文教授EES: 水系可充電電池電解液的發展史和新概念

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