在所有电化学储能系统中，锌基电池（例如锌空气，锌金属，锌离子电池等）已被视为重要的候选对象，有可能替代当前占主导地位的铅酸和锂离子电池系统，因为它们具有许多无与伦比的优点，包括：
直接使用锌金属作为电极；
低成本，不易燃且对环境友好的水性电解质兼容；
在环境条件下组装；环境良性；
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然而，当前，由于锌金属电极上发生的锌-水相互作用问题，包括腐蚀，钝化，形状改变和枝晶形成，锌基电池的电容，循环寿命和安全性显着降低。
基于以上现状，王佳兆等在国际知名期刊Nano Energy 上发表题为“Principals and strategies for constructing a highly reversible zinc metal anode in aqueous batteries”的综述文章。Chao Han为本文第一作者。
这篇综述对这些问题背后的机制进行了具体，全面和深入的总结；以及在全pH范围的水性电解液中通过本征锌合金，锌表面涂层和电解液工程技术对锌电极进行保护的最新技术进展。还介绍了这些策略的进一步发展的未来发展趋势和前景。
化石燃料的枯竭和我们的环境危机，电动汽车的普及以及清洁但间歇性的可再生能源（例如风能和太阳能）的广泛使用，极大地激发了研究人员对可靠，低成本以及高度安全的储能系统的开发热情。在所有可用的能量存储系统中，锌基电池，包括一次/可充电锌空气电池，Zn-Ni电池，Zn-MnO2电池，可充电锌离子电池（ZIBs）等，被认为是最有前途的候选能源。替换使用有毒铅化合物的商业铅酸电池和昂贵/危险的锂离子电池，因为它们具有更低的成本和合理的性能。
图2.锌基电池发展历程
(a) Ragone plot of energy storage systems in aqueous electrolyte system with different energy carriers.
(b) Zinc property regimes: compared with other metals, Zn shows balanced kinetics, high stability, and good reversibility in aqueous electrolyte.
(c) Timeline of the development history of different kinds of zinc-based batteries. The corresponding electrolytes used in the batteries are also indicated. “PBA” is the Prussian blue analogue.
首先，如图2（a）中的Ragone图所示，Zn2+的功率和能量密度与Li+相当。锌空气电池就是一个典型的例子，考虑到其理论重量和体积容量为820 mAh g-1和5855 mAh cm-3，其理论体积能量密度（4400 Wh L-1）和比能量密度（ 180–200 Wh kg-1）分别是传统锂离子电池（1400 Wh L-1和160 Wh kg-1）的三倍和1.1倍。
如图2（b）所示，金属Zn优于Li，Na和K的最大优点是金属Zn在水性介质中相对稳定且氧化还原可逆。尽管Mg和Al在水中也很稳定，但它们的电沉积在水性电解质中在热力学上是不可行的，因此锌可以直接用作不可燃且低成本的水性电解质中的负极。与基于Ca2+，Mg2+和Na+的电池相比，直接采用Zn金属作为电极之一可显着提高基于锌的电池的能量密度。相应的电解质系统也被标记，由此很容易得出结论，大多数锌-空气电池电解质主要是碱性的。而锌离子电池的电解质可以在碱性到接近中性和酸性条件下工作。
与目前占主导地位的铅酸和锂离子电池相比，锌基电池具有极低的成本，高度的环境和人类友好性以及出色的电化学性能。尽管一次Zn-MnO2碱性电池和Zn-Air / Ni / Ag电池已经商业化，但是金属Zn负极在二次电池中的商业应用越来越受到电镀/剥离效率低的阻碍，并且锌枝晶的生长在锌负极侧，而不是电池的其他部分。
使用电极完全放电时实际使用的锌块理论容量的百分比来定义电镀/剥离效率。最先进的镀锌/剥离效率仅达到70％。值得注意的是，锌的剥离效率可以使用放电深度（DOD）来表征。因此，提高剥离/镀覆效率对于进一步降低锌基电池的成本同时全面提高其电化学性能具有重要意义。尖锐的针状锌树枝状晶体的形成增加了刺穿隔板的风险，从而引起电短路和电池的灾难性故障。树枝状晶体（“死锌”）的破裂还将减少参与电化学过程的锌的量，并降低镀覆/剥离效率。
而且，尽管在水体系中锌比Li / Na更稳定，但是锌会自发地与水反应生成氢气，从而进一步降低镀覆/剥离效率。因此，仍然迫切需要构建成功的可充电锌负极，该负极应具有高比例的可利用活性材料，能够高效充电，并能长期保持其容量并进行数百次充电和充电。放电周期无树突刺穿。为了实现构建更好的锌电极的目标，有必要进一步设计具有高锌利用率[ZnDOD> 50％]的锌负极，该锌负极能够进行深放电并具有高库仑效率（> 400次循环，> 80次）在实际操作条件下不会刺穿树枝状晶体。
与广泛发布的关于锌空气电池催化剂的评论相比，锌离子电池的电极材料，只有几篇文章简要总结了锌负极在特定储能系统中作为辅助部件的一些性能改进策略。例如，张等对碱性电解液型锌空气电池中的锌电极保护进行了综述。Blazquez等审查了可充电锌基电池的电解质系统，部分讨论了电解质对锌负极保护的影响。先前对锌负极保护的评论过于简洁，缺乏一些重要的策略。仍然缺乏具体全面的综述来总结在全pH范围的水性电解质基锌基储能系统中的锌保护。
由于锌基电池的不可替代的优点之一是能够使用低成本，不易燃且绿色的水性电解质，作者专注于总结水性电解液中锌电极的保护策略。本综述将全面描述在全pH范围的水性电解质中锌电极保护的机理和最新进展。此次深入而有启发性的评述将有助于研究人员追赶并开展对可充电水性电解质基锌电池性能优化的有影响的研究，并有效地促进这种低成本，高价位的电池的商业化。性能和环保的储能系统。
•锌基二次电池已被公认为是重要的候选物，可以替代目前占主导地位的铅酸和锂离子电池系统，因为它们具有许多无与伦比的优点，包括直接使用锌金属作为电极。与低成本，不易燃且绿色的水性电解质兼容；在环境条件下组装；环境良性；和高安全性。
•但是，目前，锌基电池上发生的锌水相互作用问题（包括腐蚀，钝化，形状变化和枝晶形成）大大降低了锌基电池的电容，循环寿命和安全性。
•这篇综述对这些问题背后的机制进行了具体，全面和深入的总结；以及在中性和碱性水性电解液中通过本征锌合金，表面涂层和电解液工程技术对锌电极进行保护的最新技术进展。
文章链接:
Principals and strategies for constructing a highly reversible zinc metal anode in aqueous batteries
https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S2211285520304377
老师简介:
王佳兆，博士，教授
现就职于澳大利亚伍伦贡大学超导与电子材料研究所。2003年在伍伦贡大学获得博士学位。主要研究领域：二次电池的电化学存储，包括锂离子电池，锂空气、锂硫、钠离子、钠空气以及铅酸电池等。
资料来源：https://webs.nuist.edu.cn/_s72/2017/1018/c3018a109169/page.psp
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