王洪海教授、刘加朋副教授Small综述：基于转换机制的水系锌离子电池的研究进展

第一作者：徐慧婷

通讯作者：王洪海*，刘加朋*

单位：河北工业大学，天津大学

水系锌离子电池具有水电解质安全环保、成本低、环境友好、体积理论容量大、稳定性好和平衡电位低等优点，在新型储能技术的发展中表现出了越来越多的关注。目前常用的水系锌离子电池的正极材料通常为有机材料、锰基化合物、钒基化合物和普鲁士蓝类似物在内的各种正极材料。然而，这些材料大多数依赖表面氧化还原机制或离子插层机制，这使得这些正极材料通常表现出较差的比容量和功率密度。研究表明，具有转化机制的正极材料（如硫元素和卤素元素）可以显著提高水系锌离子电池的比容量和功率密度。目前，已经有很多文章开始报道各种转换电池的研究进展，但目前还没有相关的综述同时对硫基和卤素基阴极的水系锌离子电池的发展进行全面的总结和讨论。

近日，来自河北工业大学的王洪海教授与刘加朋副教授在国际知名期刊Small上发表题为“Advances in Aqueous Zinc Ion Batteries based on Conversion Mechanism: Challenges, Strategies, and Prospects”的综述文章。该综述详细地介绍了各种具有转化机理阴极的水系锌离子电池的研究进展，包括锌-硫(Zn-S)电池、锌-硒(Zn-Se)电池、锌-碲(Zn-Te)电池、锌-碘(Zn-I2)电池和锌-溴(Zn-Br2)电池。针对具有转化阴极的水系锌离子电池存在的问题，揭示了转化阴极的反应转化机理。同时，从电极材料和电解质等方面系统地讨论了具有转换机理阴极的水系锌离子电池的优点、存在的问题和解决方法。最后，本文对水系锌离子电池的发展前景和面临的挑战进行了全面的分析和讨论，针对遇到的每一个挑战提供了可能的解决方案和路线。

各种负载硫的碳基材料已被证明是很有前途的锌硫电池正极材料。然而，一些参与提高硫反应动力学的催化主体材料仍需进一步研究。此外，锌金属阳极保护策略在含水锌硫电池中仍处于初步研究阶段。电解液的pH、浓度和添加的添加剂是影响锌-硫电池电化学性能的重要因素。此外，锌硫电池在不同电解质中的反应机理还有待进一步研究。

与水系锌-硫电池类似，水系锌-硒电池也面临电导率差、氧化还原反应动力学慢、锌枝晶生长等问题，这些都严重影响了水系锌-硒电池的发展。因此，锌硒电池的优点和缺点需要权衡。同时，需要对各方面进行分析和探索，为实现高性能锌基电池提供新的机遇和平台。

水系锌-碲电池在反应机理方面，存在多种不统一的机理解释。此外，研究发现，与传统碳基材料相比，具有催化作用的主体材料可以显著提高水系锌-碲电池的反应动力学。虽然现阶段水系锌-碲电池已经取得了一定的研究进展，但在机理解释、电极材料、阳极材料和电解液方面的研究还有待进一步探索。

目前研究表明，杂原子掺杂对碘转化反应的动力学和热力学有不同程度的影响。导电聚合物也因其优异的导电性被认为是很有前途的碘宿主材料。此外，具有催化作用的主体材料(如单原子催化剂)也被认为是提高碘阴极反应动力学的有效策略。水系锌-碘电池中新型二维材料的研究也备受关注。此外，在锌金属阳极表面涂覆一层保护层(如导电碳材料和有机物)，可以有效抑制锌枝晶生长的问题。此外，除了ZnSO4电解质外，还有越来越多的新型电解质被开发出来。其中，水凝胶策略、添加剂策略能有效提高水系锌-碘电池的电化学性能。此外，对隔膜进行改性可以有效地提高水系锌-碘电池的库仑效率。虽然目前对水系锌-碘电池的研究已经很多，但要进一步提高水系锌-碘电池的电化学性能，还需要进一步的创新工作。

虽然在电极制备和电解液调制方面对水系锌-溴电池进行了初步研究，但水系锌-溴电池仍有许多问题需要解决(如穿梭效应和慢动力学)。此外，为了提高水系锌-溴电池的电化学性能，还需要对功能材料和不同的电解质进行开发。

本文系统地介绍了各种基于转化机制的水系锌离子电池的转化机理、复合正极材料、电解液、锌阳极等方面的研究进展和存在的问题。本文综述旨在促进具有转化机制的水系锌离子电池的快速发展。但是，现阶段的开发体系还不成熟。硫基阴极和卤基阴极仍然存在各种问题。因此，本综述提出以下几点展望：

1. 开发新的宿主材料以锚定更多的活性物质或增强电池的转化动力学。

   此外，应开发具有高质量转换阴极/低质量主体或无粘结剂的新型高导电主体材料，以获得高能量密度的商用电极材料。

2. 锌阳极保护策略。

   设计稳定且无枝晶的锌金属阳极是提高电池性能的关键。

3. 电解液调控。

   设计合适的电解液以调节锌阳极的成核行为，并抑制电池的穿梭效应和析氢反应。

4. 隔膜的设计。

   设计具有优异性能的隔膜以缓解锌晶枝的生长和穿梭行为。

5. 明确反应机理。

   采用一些先进的表征技术或方法来阐明存储机制以更好的促进水系锌基转换电池的发展。

Advances in Aqueous Zinc Ion Batteries based on Conversion Mechanism: Challenges, Strategies, and Prospects

刘加朋副教授简介：2020年获天津大学博士学位。现任河北工业大学化工学院副教授。他目前的研究方向包括新型二维纳米材料的制备及其电化学应用、化学工程和环境工程。以第一或通讯作者在Acs Nano、Appl Catal B-Environ、Chem. Eng. J.、Small等期刊发表论文三十余篇。

徐慧婷：河北工业大学2022级博士研究生。主要方向为二维材料和碳基材料在电容去离子方向的应用；催化主体材料在具有转化机制的水性锌离子电池中的应用。