最近新興的可充電鋅離子電池具有内在電池安全性和高元素豐度的優勢，對環境污染小的特點。然而，推廣用于可充電水系鋅離子電池的大規模儲能應用受到水分子高活性的極大困擾。水分子的高活性仍然對鋅離子電池構成威脅，導緻鋅負極過早失效、正極溶解和低溫性能較差。最近，已經報道了許多有效策略來減少水的活性以應對上述挑戰。鑒于對水分子狀态及其與鋅離子電池性能的交織關聯的了解較淺，迫切需要強調調節水分活度的重要性并總結水系鋅離子電池的最新進展。本觀點旨在為使用水溶液化學設計更好的鋅離子電池提供一個基本的理解。

圖文簡介

鋅陽極上的界面副反應示意圖

水系鋅離子電池有望為下一代儲能系統提供具有競争力的電化學性能、低廉的價格、易于加工、良好的安全性和環境友好特性，但仍然存在許多挑戰。由于其高活性，水不僅會與鋅負極發生反應，還會導緻正極溶解和電解質的高凝固點。

平滑的鋅沉積和抑制水誘導的寄生反應是鋅離子電池實際應用的關鍵。為了解決這些與鋅相關的問題，已經開展了大量研究，主要揭示了以下幾個方面：（1）濃縮電解質的出現為緩解這些令人生畏的挑戰提供了解決方案。增加鹽濃度會加強水和鹽陰離子/陽離子之間的相互作用，導緻自由态水分子的急劇減少。(2) 有機電解質和離子液體可以為鋅負極提供更好的穩定性。(3)在配體的幫助下使Zn 2 溶劑化殼解耦或與水形成氫鍵可以抑制水的活性。決定Zn 2 的因素有很多溶劑化結構，包括配體的 DN 值、濃度和空間位阻。(4) 構建先進的界面可以屏蔽水與鋅陽極之間的直接接觸。(5) 由于水和凝膠/膠體電解質之間的強相互作用，凝膠/膠體電解質也可以提供抑制水活性的有效策略。

正極材料在運行過程中會因水在水性介質中的溶解而導緻容量顯着衰減。濃縮電解質溶液或通過配體操縱電解質的創新可以緩解穿梭問題并有利于電池循環。否則，表面活性劑在陰極表面的吸附也會造成缺水環境，抑制陰極穿梭反應。

配體輔助電解質有望成為未來研究甚至實際應用的最有希望的候選者。

在超低溫下部署可充電水電池對于現代便攜式電子産品也至關重要。當溫度下降時，含水電解質會結冰。在一定程度上，增加鋅鹽的濃度可以破壞氫鍵并允許低溫操作。不斷增加鋅鹽濃度也會增加離子相互作用，再次導緻低溫性能損失。氫鍵和離子相互作用強度在溶液中應很好地平衡，以便獲得最低的固液轉變溫度。此外，具有配體的電解質工程是提高水系鋅離子電池低溫性能的有效策略。

綜上所述，總結了水系鋅離子電池的最新進展，有助于讀者及時了解最新進展，對水系鋅離子電池有更深入的了解。然而，目前的成果與電力系統和大規模儲能的實際應用目标相去甚遠。首先，考慮到在許多報道的情況下需要過量的鋅來維持其循環穩定性，鋅負極的寶貴仍然不能滿足商業需求。對于實際應用，需要無陽極電池或使用有限量的鋅金屬作為陽極，這進一步挑戰了鋅的可逆性。第二，具有高面積容量和貧電解質狀态的深度循環陽極對于實現具有更高能量密度和更低成本的水性電池至關重要。第三，低溫下離子電導率不足仍然是一個問題，犧牲了電池的倍率能力。第四，寬溫範圍的鋅離子電池更加重要和實用。然而，高溫下水的高揮發性限制了它們的高溫行為。此外，水往往會在高溫下與鋅陽極反應，導緻鋅鈍化。高溫下水的高揮發性限制了它們的高溫行為。此外，水往往會在高溫下與鋅陽極反應，導緻鋅鈍化。高溫下水的高揮發性限制了它們的高溫行為。此外，水往往會在高溫下與鋅陽極反應，導緻鋅鈍化。

為了在實現完全實用的水系鋅離子電池的道路上應對這些工程挑戰，應進一步努力降低水的活性。配體輔助電解質有望成為未來研究甚至實際應用的最有希望的候選者。考慮因素總結如下：（1）多功能電解質根據配體的選擇而變化。待探索的配體種類繁多，使該領域的探索空間十分廣闊。(2) 配體的引入有望重組電解質的溶劑化結構或破壞氫鍵，從而在鋅負極可逆性、正極穩定性和低溫性能方面産生巨大差異。所以，新興且有前景的配體輔助電解質在未來值得研究人員更多關注。我們希望這個觀點能給研究人員對未來水系鋅離子電池的研究提供一些啟示。

論文信息

論文題目：Regulating Water Activity for Rechargeable Zinc-Ion Batteries: Progress and Perspective

• 通訊單位：國家先進工業科學技術研究院，築波大學系統與信息工程研究生院

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