Small:可充电锌电池的概述和未来展望

与有机电解液相比,水系电解液被认为是更有希望的替代品之一。有机电解质的离子电导率为1-10 mS cm-1,而水性电解质的离子电导率可达到1 S cm-1。更重要的是,水性充电电池具有本质天然的安全性与低成本,因此它们更有利于在大规模储能中广泛使用。近年来,新型的水性电池不断涌现,包括各种基于碱金属阳离子(Li+、Na+、K+)和天然丰富的多价阳离子(Zn2+、Mg2+和Al3+)的水性电池。其中,由于锌的独特优势(0.72V的析氢过电势、820 mAh g-1的理论质量比容量、5855 mAh cm-3的理论体积比容量和每千克2美元的价格),水性锌电池(AZBs)受到持续关注。然而,AZBs由于窄的电化学稳定窗口,电极材料的溶解以及锌枝晶的问题其发展受到了一定限制。研究者们针对这些问题在锌基电池上做出了大量的努力与工作。

西安交通大学理学院丁书江教授和石磊博士针对这些工作对各类锌基电池进行了一些总结与分类。首先,作者讨论了三种类型的锌基电池的电极材料和储能机理,分析了各类电池的优势与劣势。 然后,锌负极的电极行为以及解决枝晶和钝化等问题的策略被总结与分析。 最后,一些合理化的解决方案与建议被提出以促进锌基电池的下一步发展。相关成果发表在Small(DOI: 10.1002/smll.202000730)上。

这篇综述详细论述了水系锌基电池的基本方面,主要包括:(1)碱性锌基电池的转化反应机理与水系锌离子电池储能机理的联系与区别。(2)水系锌离子电池中H+/Zn2+共嵌入的重大挑战。(3)各类锌基电池中电极-电解质界面的去溶剂化壁垒。(4)新型电解液的作用机理及设计原则。(5)引导锌均匀沉积的方法。 锌基电池的研究是实现电能高效转换和储存的重要技术方向,锌基电池的未来都是无限的。