阿德莱德大学郭再萍教授&中南大学张文超教授AM综述：高功率能量水系单价离子电池的发展现状及前景展望- 大数跨境

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阿德莱德大学郭再萍教授&中南大学张文超教授AM综述：高功率能量水系单价离子电池的发展现状及前景展望

科学材料站

2022-04-06

导读：本文在系统总结了水系单价离子电池的正极和负极材料优缺点和水系电化学稳定性窗口的改性策略的研究基础上

文章信息

第一作者：张芳莉

通讯作者: 郭再萍*，张文超*

单位：澳大利亚伍伦贡大学，中南大学，澳大利亚阿德莱德大学

研究背景

相对于传统的有机系电池，水系离子电池由于其快速充电能力、高功率密度、低成本以及环保的特性近年来成为大规模储能系统中很有前途的储能装置。其中，水系单价离子电池因为具有相对于多价离子更小的水合离子半径和水合自由能，具有快速充电能力和出色功率密度的潜力，引起了诸多学者的关注。

近年来，普鲁士蓝类似物、聚阴离子型化合物和层状氧化物因其高理论容量和低成本而被广泛用作水系单价离子电池的正极，但是依旧存在循环稳定性低等问题；而相对于传统的聚阴离子型化合物和氧化物负极，有机负极材料以其独特的结构稳定性以及结构设计的多样性和灵活性，成为了最具有发展潜力的水系电池负极材料，但是目前对新兴有机负极材料的研究尚处于初始研究阶段。

此外，水系电池狭窄的电化学稳定性窗口也是制约其发展的主要问题。为了改善上述问题，对电极材料的改性和扩大电化学稳定性窗口以应用更多高能量密度的电极材料是当前水系单价离子电池的研究重点。然而，针对不同电极材料，改性策略与电化学性能表现之间的关系尚不明确，给后续的研究发展造成了挑战。

文章简介

针对上述问题，来自澳大利亚阿德莱德大学的郭再萍教授，中南大学的张文超教授在系统总结了水系单价离子电池的正极和负极材料优缺点和水系电化学稳定性窗口的改性策略的研究基础上，综述了其存在的关键科学问题与挑战并总结了各种改性策略与电化学性能设计的相关性。

从电极材料结构工程、形态控制、元素组成和电极-电解液界面设计等方面深入剖析，并尝试针对不同的电极材料特性提供合理的设计原则。

在此基础上，讨论了水系单价离子电池电解液独特的物理化学性质和改性策略，针对性展望了下一代水系单价离子电池最有潜力的电极材料及发展方向。

论文发表于国际期刊Advanced Materials, 第一作者为来自澳大利亚伍伦贡大学的博士生张芳莉。

本文要点

文章首先介绍了水合离子在水系电解液中独特的传输机制，其关键影响因素在于水合离子半径和水合自由能。水合离子半径决定了水合离子在水系电解液中的传输速度，而水合自由能是影响水合离子在电极-电解液界面的传输动力学的关键因素。因此，具有最小水合离子半径和水合自由能的水系单价离子电池被认为是大规模储能系统中高功率器件的有希望的候选者。

接下来详细总结了常见电极材料近年来的研究进展，主要介绍了各种正负极材料的本征结构、储存机制、主要缺点以及针对性的改性策略，建立了不同改性策略与电化学性能提升之间的联系。

最后，对水系单价离子电池的未来的发展进行了展望，基于对各种提高电化学性能的策略的系统分析和理解，本综述为发展优异倍率性能的水系单价离子电池的提供合理的设计原则和重要参考。

图1. a) 单价离子和多价离子水合离子半径和水合自由能的对比；b) 锂离子和钠离子在FeFe(CN)₆正极材料中不同嵌入机制的示意图；不同普鲁士蓝类似物正极材料在循环过程中的结构相变过程：c）Na₂Co^IIFe^II(CN)₆正极材料；d) K₂Fe^II[Fe^II(CN)₆]·2H₂O正极材料。

图2. a) 水合钠离子在稀释电解液和盐包水电解液中不同的初级溶剂化壳层结构示意图；b) 锂离子的初级溶剂化壳层在LiNO3水溶液随着浓度变化的示意图；使用不同改性策略的水系锂离子电池的电化学性能比较：c）电化学稳定性窗口，d）离子导电性。

图3. a) TMSB, H₂O, LiTFSI, and TFSI^-1最高占据分子轨道的对比图示；b) TMSB电化学氧化分解的机制示意图；根据密度泛函理论计算模型，显示c) 水分子以及d) 钠离子通过在不同位置SDS吸附层的的能量变化趋势图。

文章链接

Recent Progress and Future Advances on Aqueous Monovalent-ion Batteries towards Safe and High-power Energy Storage

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/adma.202107965

通讯作者简介

郭再萍 澳大利亚阿德莱德大学教授，伍伦贡大学荣誉教授。

曾获得澳大利亚桂冠学者、澳大利亚伊丽莎白女王基金奖、澳大利亚青年科学家奖、伍伦贡大学Vice-Chancellor’s Research Excellence Award。其课题组主要从事储能材料的研究，致力于探究低耗高效的方式合成二次电池电极材料，开发高性能电池，解决可充电池以及其他储能设备中的关键问题。

郭再萍教授在 Nat. Common., Sci. Adv., J. Am. Chem. Soc., Joule, Angew. Chem. Int. Ed., Adv. Mater.等国际著名期刊发表多篇科研论文。论文被引次数超过36,000次，H-index为104。2018-2021年连续四年获得Highly Cited Researcher Award（Clarivate Analytics评选）。

张文超 中南大学冶金与环境学院特聘教授。

2012年和2015年于中南大学分别本科和硕士毕业，2019年获澳大利亚伍伦贡大学博士学位，师从郭再萍教授，期间前往美国凯斯西储大学戴黎明教授课题组交流访问，毕业后在澳大利亚伍伦贡大学从事博士后研究工作。2021年入职中南大学，现为冶金与环境学院特聘教授，加入国家重金属污染防治工程技术中心柴立元院士团队。

长期从事电化学表界面调控离子传质及相关机理研究工作，以第一作者或通讯作者身份在Sci. Adv., Joule, J. Am. Chem. Soc., Angew. Chem. Int. Ed., Adv. Mater., Mater. Today以及国产卓越期刊Natl. Sci. Rev.等学术刊物上发表多篇研究论文，已发表论文50余篇，被引用4,100 余次，H因子27。

主持国家自然科学基金青年项目，参与湖南省自然科学基金重大等项目。应邀担任Eco-Environmental Health, Rare Metals学术期刊青年编委。长期担任Adv. Mater., J. Am. Chem. Soc., Angew. Chem. Int. Ed., Mater. Today, Adv. Funct. Mater., Adv. Energy Mater., Nano Energy等主流学术期刊审稿人。