John Wang教授和Xian Jun Loh 教授AEM综述：水系可充放电多价金属离子电池：优势与挑战- 大数跨境

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John Wang教授和Xian Jun Loh 教授AEM综述：水系可充放电多价金属离子电池：优势与挑战

科学材料站

2021-05-21

导读：本文从正极材料，电解液和金属负极的角度来讨论ARMMB的主要优势和挑战/问题。

文章信息

水系可充放电多价金属离子电池：优势与挑战

第一作者：潘争辉，刘西蒙

通讯作者：Xian Jun Loh*，John Wang*

单位：新加坡国立大学，新加坡科技研究局（A*STAR）

研究背景

水系可充电多价金属离子电池（ARMMB）具有巨大的潜力，可以满足从可穿戴/便携式设备到大规模固定式能量存储等广泛应用的需求。这归因于其电极材料的丰富性、环保性、高安全性，电池的快速充放电能力，高功率密度和长循环能力。

在过去的十年中，ARMMB取得了长足的进步。然而，它们较窄的工作电压窗口和不足的能量密度仍然是它们替代被广泛使用的锂离子电池的主要障碍。因此，有必要从正极材料，电解液，金属负极及完整电池的集成等方面系统总结和分析，并提出其未来的发展路线。

文章简介

近日，新加坡国立大学的John Wang教授和新加坡科技研究局Xian Jun Loh 教授，在国际知名期刊Advanced Energy Materials上发表题为“Aqueous Rechargeable Multivalent Metal-Ion Batteries: Advances and Challenges”的综述文章。

在这篇综述中，从正极材料，电解液和金属负极的角度来讨论ARMMB的主要优势和挑战/问题。然后，研究了ARMMB的最新进展，以解决这些关键问题，特别强调了先进电极材料的设计与新兴电化学之间的联系。

最后，考虑到ARMMB的大规模应用仍处于起步时期，因此简要研究了ARMMB的近期发展前景，并制定了简要的路线图，其中最重要的追求之一就是将实验室的研究转化为下一代可靠的商业化ARMMB产品。

图1. ARMMB的主要优势和挑战的示意图。

本文要点

要点一：ARMMBs的优势

图2. 多价与单价金属负极理论电压和比容量对比图。

尽管锂离子电池在当前便携式可穿戴设备，电动汽车乃至相对大型固定式储能器的可充电电池的市场中占主导地位。但人们持续追求一种安全，可持续，低成本的电池系统。跳过锂离子电池使用的有机电解质，尤其是ARMMBs的水系充电电池，由于其高安全性，自然存储丰富，高容量的多电子氧化还原机制，快速充电/放电能力和较高的功率密度而备受关注。

要点二：ARMMBs面临的挑战

本综述从 ARMMB的多价金属电荷载体、内在的水分解和工作电压的固有特征、金属负极上的枝晶生长和界面副反应以及各种挑战之间的相互联系四个方面分析总结。

其中，多价金属电荷载体是ARMMB的关键组成部分，可用于确定电池的化学性质和性能；由于固有的水分解，包括氧气析出反应和氢气的分解反应，典型的水系电解质的电化学稳定电位被限制为≈1.23V，限制了ARMMB的工作输出电压，并导致能量密度和功率密度不足；金属枝晶的生长，存在刺穿隔膜和接触正极的潜在风险，这不仅会引起安全隐患（内部短路），而且还会降低库仑效率和循环寿命。

要点三：ARMMBs电极材料和电解液的设计策略与进展

为了提高ARMMB的整体性能，必须探索在中性/酸性电解液（pH：3.6-7.0）中具有大输出电压和化学稳定性的可逆电化学正极材料。

实际上，用于ARMMB的已知正极材料是基于嵌入化学的。尽管已经很好地确定了单价金属离子（例如Li +和Na +）的嵌入和脱嵌，但是随着迁移的电荷载流子数量的增加，这些过程逐渐变得困难。因此，很少有可逆地嵌入/脱嵌的一价金属离子正极材料在ARMMB中显示出适当的电化学性能。

最近，在开发先进的材料（如金属负极）和新的结构设计方面做出了巨大的努力，以进一步提高ARMMB的循环性能。另一方面，电解质也是ARMMB的重要成分，是多价金属离子迁移的途径，确保正极和金属负极之间的紧密连接。

此外，由于水系电解质与电化学稳定性窗口，正极材料的性能，可逆的多价金属镀覆/剥离过程以及多价金属负极的稳定性等密切相关，因此对其成分（溶剂和盐）方面也进行了广泛的研究。本综述讨论了锌基、镁基、钙基以及铝基这四种ARMMB。

要点四：未来发展

解决基本的电化学问题（正极，负极和电解质）和实用的电极/电池设计项目（例如，活性材料的质量负载，最佳结构和正极-负极质量平衡，以实现其潜在的高电化学性能都将持续进行研究。

同时，还应开发ARMMB新的独特功能，以用于下一代便携式/可穿戴设备，机器人，大规模固定式能量存储和物联网。在低制造成本下探索新的电极材料，水系电解质和设备制造方面，快速而持续的发展才能够使ARMMB与主导的LIB竞争，至少不断扩大其在储能市场中的竞争力。

图3：ARMMB简要的发展路线图及未来发展前景。

Aqueous Rechargeable Multivalent Metal-Ion Batteries: Advances and Challenges”

https://www.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/aenm.202100608

通讯作者介绍

John Wang 教授。

新加坡国立大学材料科学与工程系教授，在功能材料和材料化学领域拥有30多年的教学和科研经验。John Wang教授目前的研究方向包括：多铁性薄膜及器件，2D材料化学，纳米结构材料在能源与环境中的应用；在国际顶级学术期刊上已发表超过400篇著作。John Wang教授曾担任新加坡国立大学材料科学与工程系主任7年（2012年06月-2019年7月），并且于2019年当选为亚太材料科学院院士，2020年科睿唯安全球高被引学者。