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第一作者：楊金霖

通訊作者：范紅金

通訊單位：新加坡南洋理工大學(xué)

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水系鋅電池（AZBs）因其高安全性、高成本效益、低制造成本和優(yōu)異的體積容量而被視為有前途的能量存儲(chǔ)系統(tǒng)。然而，鋅金屬陽極上鋅枝晶生長(zhǎng)和自發(fā)的析氫反應(yīng)（HERs）阻礙了AZBs的廣泛應(yīng)用。

為了解決這些問題，設(shè)計(jì)單離子傳導(dǎo)電解質(zhì)（SICEs）以實(shí)現(xiàn)單離子傳導(dǎo)至關(guān)重要。單離子導(dǎo)電電解質(zhì)（SICEs）的關(guān)鍵目標(biāo)是在最小犧牲離子電導(dǎo)率（σ）的情況下提高陽離子遷移數(shù)（t）。

SICEs通過最小化離子濃度梯度并同時(shí)通過抑制陰離子的遷移率來抑制松散的去質(zhì)子化氧化物物種鈍化，而有效減輕枝晶形成。本文綜述了SICEs的基礎(chǔ)原理和最新進(jìn)展，并提出了在貧水條件下打破t和s之間平衡的一些策略。文中還批判性地討論了鋅離子傳輸數(shù)的測(cè)試方法。本文的主要目的是為SICEs的進(jìn)一步發(fā)展提供指導(dǎo)，以促進(jìn)AZBs的能量密度和壽命。

圖文導(dǎo)讀

圖1：展示了鋅對(duì)稱電池的示意圖、離子濃度和電勢(shì)隨時(shí)間的變化、不同時(shí)間下的鋅沉積形貌、高電流和低電流情況下的電勢(shì)變化以及SICEs對(duì)陰極利用率和活性物質(zhì)保持的影響。此外，還比較了不同類型的SICEs和完全解離的雙離子傳導(dǎo)電解質(zhì)（DICEs）的屬性。

圖2：展示了通過共價(jià)鍵連接的SICEs，包括聚合物/水凝膠基SICEs和由磺酸基改性的共價(jià)有機(jī)框架（COF）和聚丙烯酰胺（PAM）水凝膠組成的混合SICE，以及無溶劑的ZnMOF-808 SICE和Zn(AATZ)₂ SICE。

圖3：展示了帶有陰離子受體的SICEs，包括基于酸性陶瓷和環(huán)形分子受體的稀/共晶液態(tài)電解質(zhì)，以及聚乙烯醇（PEO）鏈被環(huán)形分子受體環(huán)繞的中性水凝膠和具有酰胺基團(tuán)基于受體的Kevlar水凝膠。

圖4：探討了未來SICEs的可能性，包括聚陰離子、電子吸引基團(tuán)（EWGs）和柔性水凝膠段改善增塑劑效應(yīng)，以及增強(qiáng)Zn²⁺溶解效應(yīng)的添加劑。

圖5：討論了鏈幾何結(jié)構(gòu)和陰離子受體對(duì)未來SICEs的影響，包括對(duì)Zn²⁺溶解結(jié)構(gòu)的影響、具有有序通道的水凝膠基SICE、sp2雜化硼酸酯基受體用于陰離子捕獲、通過p-p堆疊相互作用捕獲陰離子的受體，以及EWGs對(duì)多陽離子中心金屬d軌道分裂的影響。

圖6：展示了測(cè)量陽離子傳輸數(shù)的方法，包括Nyquist圖、電流-時(shí)間曲線、極化電位與電流中斷時(shí)間的圖、濃度電池的輸出電壓和液接電位測(cè)量的示意圖，以及67Zn PFG-NMR譜和67Zn峰的積分強(qiáng)度隨指數(shù)變化的函數(shù)圖。

圖7：總結(jié)了SICEs在水系鋅電池中的屬性和功能，并提出了未來研究的建議。

總結(jié)展望

本文綜述了水系鋅金屬電池中SICEs的潛力，這些電解液通過降低濃度極化來抑制枝晶生長(zhǎng)和減少HER傾向。近年來，已經(jīng)開發(fā)出來多種形式的SICEs，包括聚合物、水凝膠、金屬/共價(jià)有機(jī)框架和晶體硫化物。盡管取得了顯著進(jìn)展，但在水系鋅金屬電池中應(yīng)用SICEs時(shí)，如何在tZn²⁺和s之間取得平衡仍然是一個(gè)挑戰(zhàn)。

未來的研究應(yīng)關(guān)注以下幾個(gè)方面：SICE對(duì)陰極材料退化的影響、SICE與電極之間界面的穩(wěn)定性、SICE的物理性能、通過理論模擬和機(jī)器學(xué)習(xí)進(jìn)行快速篩選和優(yōu)化，以及AZBs在軟包電池形式下的實(shí)際應(yīng)用性能。預(yù)計(jì)SICEs將為開發(fā)具有長(zhǎng)壽命、高安全性和良好能量密度的AZBs提供機(jī)會(huì)。

文獻(xiàn)信息

標(biāo)題：Designing single-ion conductive electrolytes for aqueous zinc batteries

期刊：Matter