Small综述:柔性锌离子电池的进展与挑战

随着电子技术的高速发展,柔性显示设备、健康监护仪、电子传感器和电子皮肤等可穿戴式/可植入电子器件的开发受到学术界及工业界越来越广泛的关注。而发展柔性电子器件的最大挑战之一是开发与之相适应的柔、轻、薄且安全的便携型储能器件。目前,锂离子电池广泛应用在便携式电子设备中。然而由于地球上的锂资源储量有限,有机体系电池存在着严重的安全隐患,发展柔性锂离子电池面临着诸多困境。就这一点而言,开发更安全、廉价的新型柔性储能体系变得更加具有吸引力。近年来,二次水系锌离子电池(zinc ion batteries, ZIBs)凭借其高安全性、易组装、高容量、低成本、环境友好和锌资源丰富等优势,在柔性储能设备中具有巨大的应用前景。与传统的碱性电池不同,ZIBs采用中性或弱酸性电解液,其储能机理是以Zn2+作为载体的“摇椅式”电池,即通过Zn2+在锌负极的溶解/沉积和Zn2+在正极的电化学嵌入/脱嵌,从而实现电能的可逆储存与释放。相比于传统碱性Zn电池,ZIBs呈现出优异的可充放性。近年来,ZIBs的研究成为多价金属离子电池领域中倍受关注的热点研究方向,并且已经取得巨大进展,这些研究对下一代高性能锌负极材料的复兴起了巨大作用。然而,柔性ZIBs的开发还面临着一系列科学和技术上的难题。首先,作为ZIBs的主要组成部分,正极材料存在着容量和寿命偏低等问题,ZIBs的正极材料未来的开发还有很大的提升空间。ZIBs的负极存在着枝晶生长(尤其在大电流下)和可逆欠佳等问题,而且水系ZIBs受限于水分解等因素,使得其面临着电压窗口偏窄等难题。此外,为了实现柔性ZIBs在柔性电子设备上的应用,电解液的合理选择和电池的设计组装方式上还需多方面的考虑。

基于此,来自于中山大学卢锡洪教授等人以Flexible Zn-Ion Batteries: Recent Progresses and Challenges为题在Small上发表综述性文章。作者总结了近年来快速发展且具有良好应用前景的水系ZIBs的最新代表性成果(电解液,电极材料,和器件组装技术),为柔性ZIBs的设计和改进提供了全面的知识和参考。该综述首先介绍了ZIBs的发展历程,详尽叙述了ZIBs的储能机理,重点讨论了锌负极存在的问题以及现有的解决策略,特别总结了ZIBs正极材料的储锌机理的分类和最新成果。接着,该综述进一步地总结了柔性ZIBs的设计与组装,包括柔性正负极的设计、凝胶电解液和电池结构设计。随后,作者总结了柔性锰基、钒基、普鲁士蓝基和其他柔性ZIBs的最新研究进展,并对不同种类的正极材料的优缺点进行了比较。最后,作者从柔性锌离子的电解液、电极材料、电池的结构设计等方面展望了ZIBs的未来发展方向与研究重点,并且对柔性ZIBs的商业化等问题进行了探讨和展望。

相关综述文章在线发表于Small (DOI: 10.1002/smll.201804760)上。