如何突破水系锌离子电池能量密度瓶颈？这篇AEM总结了四大关键策略- 大数跨境

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如何突破水系锌离子电池能量密度瓶颈？这篇AEM总结了四大关键策略

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2025-06-06

导读：如何突破水系锌离子电池能量密度瓶颈？这篇AEM总结了四大关键策略。

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文章信息

Achieving High Energy Density in Aqueous Zinc-Ion Batteries

第一作者：高君权

通讯作者：乔世璋*

单位：阿德莱德大学

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研究背景

随着大规模储能系统对能源密度、安全性与成本提出更高要求，开发新型、高性能、环保的电池体系成为能源研究的重要方向。水系锌离子电池因其本征安全性、低成本、丰富的锌资源以及相对可观的理论能量密度，在近年成为替代锂离子电池的研究热点。然而，水系锌离子电池在从实验室走向实际应用过程中，仍面临诸多挑战，尤其是在实现高能量密度方面。当前大多数综述多聚焦于电极稳定性与循环寿命的提升，缺乏对“实际能量密度”系统性的深入探讨。因此，提升水系锌离子电池的体积/质量能量密度成为该领域的关键挑战。

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文章简介

近日，阿德莱德大学乔世璋院士团队在 Advanced Energy Materials 期刊发表题为《Achieving High Energy Density in Aqueous Zinc-Ion Batteries》的综述文章，系统分析了影响水系锌离子电池实际能量密度的核心因素，并提出未来提升能量密度的关键策略与发展方向。文章首次综合讨论了从材料层到电池整体结构层面对能量密度的影响，并提出实现商业化所需的性能指标，如锌负极利用率（UR）需超过50%，电解液负载应控制在 5 g Ah⁻¹ 以下。该文为推动 AZIBs 向实际应用迈进提供了全面指导。

图1. 高能量密度水系锌离子电池的设计策略，包括对阳极、阴极以及非活性材料的调控。

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本文要点

要点一：锌负极设计与利用率调控

锌金属负极虽然理论容量高（820 mAh g⁻¹），但在循环过程中易发生枝晶生长、副反应生成“死锌”与腐蚀，限制了锌的可逆利用率。文章提出通过结构设计（如3D多孔结构）、表面包覆（如rGO、PA）、合金化、晶面调控等手段，可有效提升锌的可逆性与利用率，从而增强能量密度。

图2. 提升锌负极性能的调控策略示意圖。

要点二：高容量/高电压阴极材料开发

文章系统比较了 V 基、Mn 基、普鲁士蓝类及碘/卤素等正极材料在容量、电压与结构稳定性方面的优势与挑战，指出碘基材料凭借其多电子转移反应潜力具备实现超高能量密度的可能，但需解决溶解性、导电性与副反应等问题。

图3. a) 水系锌离子电池正极材料的发展时间线。 b) 候选正极材料的能量密度预测值与已商业化水系锌离子电池的比较。

要点三：高性能超薄隔膜设计

文章强调薄型、高离子导电率、耐腐蚀的隔膜对提升体积能量密度至关重要，提出理想隔膜应具有小于20 微米的厚度，良好的电解液润湿性与结构稳定性，同时需兼具规模化制备能力。

要点四：贫电解液策略

当前水系锌离子电池在实验室常使用过量电解液，导致能量密度严重低估。文章提出通过使用高浓度盐水体系（如“水包盐”）、电解液添加剂、限域电解液等策略，有望在不牺牲电化学性能的前提下实现贫电解液配置，从而显著提升实际能量密度。

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前瞻展望

本综述打破以往单一材料维度的分析，首次将“高能量密度”的达成条件量化，并在材料选择、结构优化、电池集成与工程可行性之间建立逻辑联系。文章指出水系锌离子电池要实现从实验室到实际应用的跨越，需依赖于电极材料、电解液、隔膜及制造工艺的多维度协同优化。未来，建议加强跨学科合作，在锌界面工程、阴极溶解调控与可制造性方面持续攻关，推动水系锌离子电池成为新一代高性能储能电池的重要候选。

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文章链接

Achieving High Energy Density in Aqueous Zinc-Ion Batteries

https://doi.org/10.1002/aenm.202501201

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通讯作者简介

乔世璋教授，澳大利亚科学院院士，现任澳大利亚阿德莱德大学化工学院纳米技术首席教授，能源与催化材料中心(Centre for Materials in Energy and Catalysis)主任，澳大利亚研究委员会电池回收工业转化中心主任，主要从事新能源技术纳米材料领域的研究，包括电催化、电池、光催化等。作为通讯联系人，在国际顶级期刊发表学术论文超过590篇，引用超过147,350次，h指数为198。乔世璋教授已获得多项重要奖励与荣誉，包括2023年澳大利亚研究委员会工业界桂冠学者(ARC Australian Industry Laureate Fellow)、2021年南澳大利亚年度科学家奖、2019年阿德莱德大学校长卓越研究奖、2017年澳大利亚研究委员会桂冠学者(ARC Australian Laureate Fellow)、2016年埃克森美孚奖、2013年澳大利亚研究委员会杰出研究者奖(DORA)。乔教授是国际化学工程师学会会士、澳大利亚皇家化学会会士、英国皇家化学会会士等。同时，他担任国际刊物英国皇家化学会杂志EES Catalysis的主编，也是科睿唯安(Clarivate Analytics)/汤姆森路透(Thomson Reuters)化学和材料科学两个领域的高被引科学家。

乔世璋教授主页：

https://www.adelaide.edu.au/directory/s.qiao#