山东大学|冯金奎教授Adv. Energy Mater.: “摇椅”型锌离子电池的最新进展- 大数跨境

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山东大学|冯金奎教授Adv. Energy Mater.: “摇椅”型锌离子电池的最新进展

科学材料站

2020-12-25

导读：本文系统地综述了新兴的“摇椅”型锌离子电池，这种电池不使用金属锌做负极。

文章信息

Recent Advnces and Perspectives of Zn-Metal Free “Rocking-Chair”-Type Zn-Ion Batteries

通讯作者：冯金奎教授

第一作者：田园

通讯地址：山东大学材料科学与工程学院

研究背景

锌基可充电电池具有理论能量密度高、环境友好、易于组装、成本低等特点，具有很大的发展潜力。目前报道的锌基电池通常使用金属锌作为负极。然而，金属锌在循环过程中存在枝晶生长问题，导致电化学性能较差，甚至可能引发安全问题。解决锌枝晶问题可能是个长期的挑战。

回顾锂金属电池到安全的无金属锂负极的“摇椅”型的成功转变，山东大学材料学院冯金奎教授在Advanced Energy Materials上发表了题为“Recent Advnces and Perspectives of Zn-Metal Free “Rocking-Chair”-Type Zn-Ion Batteries”的综述文章，本文系统地综述了新兴的“摇椅”型锌离子电池，这种电池不使用金属锌做负极。

文章首先讨论了“摇椅”式锌离子电池的基本原理、优点和面临的挑战。随后，总结了“摇椅”式锌离子电池负极、正极和电解液的设计原理和最新进展。最后对“摇椅”式锌离子电池的未来发展提出了一些建议。本文第一作者是山东大学2018级博士生田园。

图文解析

图1. “摇椅”锌离子电池背景导图。(a) 摇椅锂离子电池构造以及(c)常见的负极材料类型；(b) 新兴的“摇椅”锌离子电池构造；(d) 传统的锌离子电池构造以及(e)难以克服的锌枝晶问题。

图2. 新兴的“摇椅”锌离子电池时间线示意图概览。

图3. “摇椅”锌离子电池可利用的负极、正极以及电解液概览。

图4. Chevrel相。ZnxMo6S8负极以及Zn2Mo6S8||ZnPB“摇椅”锌离子电池。

图5. Na0.14TiS2负极以及Na0.14TiS2||ZnMn2O4 “摇椅”锌离子电池。

图6. 有机醌类复合物电极。9,10-AQ负极以及9,10-AQ||ZnMn2O4“摇椅”锌离子电池。

图7.有机负极。(a-f) 无枝晶PTCDI/rGO有机负极以及ZPB||PTCDI/rGO“摇椅”锌离子电池; (g-i) π-PMC有机电极。

全文速览

本文旨在全面综述无锌金属可充放电“摇椅”式锌离子电池的最新发展。首先，简要介绍了“摇椅”式锌离子电池的基本原理、优点和面临的挑战。随后，综述了可充放电“摇椅”锌离子电池的设计原理、正负极材料和可用电解液的最新进展。最后提出了无锌金属“摇椅”锌离子电池未来发展的主要挑战和展望。

总结与展望

简言之，新兴的无锌金属“摇椅”式锌离子电池可以解决与锌金属负极相关的长期挑战，并且这一系统正受到越来越多的关注。得益于无锌金属负极具有较高的工作电势，可以有效防止锌枝晶的形成，抑制副反应，提高安全性和循环寿命，但有限的能量密度有待提高。

因此，在这篇综述中，我们总结了“摇椅”式锌离子电池负极、可选富锌正极和可利用电解质的最新进展。值得注意的是，虽然该系统具有许多优点，但目前对“摇椅”式锌离子电池的研究才刚刚起步。

在此，我们对这一领域提出了一些意见和建议：

1）开发新型的高能、长寿命无锌金属负极（包括嵌入型、转化型和合金型负极）

2）理论研究与实验相结合，对锌的储存机理进行了较为系统和深入的研究。理论模拟计算可用于筛选和探索“摇椅”锌离子电池的潜在材料。

3）由富锌正极和无锌金属负极组装而成的“摇椅”式锌离子电池有待进一步研究。虽然目前正电极的工作很多，但其导电率低，循环性能有限，容量保持率有待进一步提高。可以采用多种策略（如缺陷工程、复合、掺杂等）来提高氧化还原电压，稳定输出电压，提高循环稳定性。此外，还应探索一种新型的高电压/高容量富锌正极。

4） “摇椅式”锌离子电池电解液的开发至关重要。电解液会严重影响电极/电解液界面的稳定性、电极的化学/电化学稳定性、离子迁移、Zn2+转移数和电压窗，最终影响电池的电化学性能。虽然水基电解质、有机电解质、凝胶电解质和固体电解质等多种电解质在锌金属电池中取得了较好的电化学性能，但对于”摇椅“式锌离子电池专用电解质的研究却很少。此外，有关正负极质量比、隔膜、集流体、电池构造、温度对“摇椅”式锌离子电池性能影响的研究较少。

文章链接

Yuan Tian et al., Recent Advances and Perspectives of Zn-Metal Free “Rocking-Chair”-Type Zn-Ion Batteries, Advanced Energy Materials, 2020, 2002529.

https://doi.org/10.1002/aenm.202002529.

通讯作者介绍

冯金奎教授，现为山东大学材料科学与工程学院材料物理化学研究所副所长、山东省自然科学杰出青年、山东省泰山学者青年专家、山东大学青年学者未来计划人选。

Sci. Rep.的编委，Funct. Mater. Lett.和Appl. Sci.的客座编辑，山东省新旧动能转换评审专家。近年来，冯金奎教授课题组围绕新能源材料以及不可燃电解液的制备与性能研究等方面开展了一系列的工作，在包括Energy Environ. Sci.、Adv. Energy Mater.、Adv. Funct. Mater.、Nano Energy、ACS Nano、Energy Storage Mater.等国际知名学术期刊发表了多篇学术论文，受到了国内外同行的广泛关注。上述研究得到国家自然科学基金、国家自然科学基金国家重点项目、山东省杰出青年基金、山东大学攀登团队、山东省泰山学者项目、山东省重点研发计划项目和山东大学青年学者未来计划项目等支持。

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