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中南大学梁叔全/方国赵教授ESM综述：水系锌离子电池电解液添加剂的基本原理和展望
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中南大学梁叔全/方国赵教授ESM综述：水系锌离子电池电解液添加剂的基本原理和展望

中南大学梁叔全/方国赵教授ESM综述：水系锌离子电池电解液添加剂的基本原理和展望 科学材料站
2020-10-25
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导读：该观点文章分析了现在常用的锌离子电池电解液添加剂与正极、负极、电解液的影响规律，同时对锌离子电解液添加剂未来的研究方向进行了展望。


文章信息

水系锌离子电池电解液添加剂的基本原理和展望
第一作者：郭珊
通讯作者：方国赵*，梁叔全*
单位：中南大学

研究背景

水系锌离子电池存在着许多问题，如正极材料的溶解；负极枝晶问题和严重的副反应；电解液的低电化学稳定性等。而电解液添加剂作为一种改善策略已广泛应用于电池领域，尤其是在锂离子电池或钠离子电池中，用以增强电池能量密度，抑制枝晶生长，稳定电极/电解液界面，增加电解液的阻燃性以及提高极端环境下的适应性等。
电解液添加剂在水系锌离子电池中的作用也非常突出，使用电解液添加剂可能是解决上述水系锌离子电池主要问题的最可行，最经济，最有效方法。本篇观点展示了近期锌离子电解液添加剂的一些工作，并对这些添加剂进行了分类和总结。
同时还针对了锌离子电池中电解液，正极，负极存在的主要问题，就如何利用添加剂解决这些问题进行了讨论。本文为未来的添加剂研究提供了方向，有助于加速锌离子电池电解液添加剂领域的研究及实际应用。

文章简介

近日，中南大学的梁叔全、方国赵教授，在国际知名期刊Energy Storage Materials上发表题为“Fundamentals and perspectives of electrolyte additives for aqueous zinc-ion batteries”的观点文章。
该观点文章分析了现在常用的锌离子电池电解液添加剂与正极、负极、电解液的影响规律，同时对锌离子电解液添加剂未来的研究方向进行了展望。
图1. 锌离子电池电解液添加剂的分类以及添加剂对电解液、正极、负极的影响规律。

本文要点

要点一：添加剂对电解液的影响规律
添加剂对电解液的影响主要包括离子电导率，电化学窗口，以及高温高压和低温性能这几个方面。为了增强离子电导率，需要在考虑每种组分的协同作用或拮抗作用的基础上增加离子添加剂的浓度和导电离子种类。
为了扩大电化学稳定窗口，有机添加剂应具有疏水性并需要吸附在电极界面处以隔离水与电极之间的接触，而离子添加剂需要稳定水的溶剂化结构或与水形成竞争性反应；对于高温高压性能，添加剂需要形成稳定界面膜以抑制副反应的进一步产生。对于低温性能，添加剂需要形成离子导电界面膜以提高界面离子传输性能。

要点二：添加剂对负极的影响规律
添加剂对负极的影响主要包括锌沉积过程的调节和副反应抑制。锌沉积过程的调节主要包括枝晶生长和表面织构。
目前主要有三种方法抑制枝晶生长，一种方法是引入极性离子或分子以形成静电屏蔽作用来抑制枝晶生长；第二种方法是增加过电势以增加锌沉积的形核位点，使得锌均匀沉积，从而抑制枝晶生长；第三种是限制锌离子在负极表面的2D扩散，以防止锌离子在负极表面的迁移和积累形成大的成核位置。
至于表面织构的调节，增加002晶面的比例可以有效地抑制晶体生长和其他副反应的发生，这是因为002晶面是能量最低的密排面。至于抑制副反应方面，电解液添加剂可以通过参与负极界面膜的组成来影响腐蚀、钝化和析氢过程。

要点三：添加剂对正极的影响规律
添加剂对正极的影响主要包括正极保护、电压和容量提升和提高界面兼容性。正极保护主要是指抑制正极的溶解，包括V溶解和Mn溶解。从电解液添加剂的角度来看，溶解平衡控制，界面膜生成和溶剂化结构调节是三种常用方法。
提高容量和电压，可以通过复合离子嵌入的方法。提升正极界面的相容性，可以使添加剂吸附或分解生成界面膜以增强界面的相容性。

要点四：前瞻
尽管电解液添加剂对水系锌离子电池的电解液，负极和正极有具有巨大的影响，但目前对锌离子电池电解液添加剂的研究仍处于起步阶段，并且添加剂对电解液结构的影响以及许多反应机理仍不清楚。
目前，水溶剂的问题，特别是水的低化学稳定性，低电化学稳定性和低热稳定性问题，还特别严重。而且随着人们对电池性能要求的不断提高，增强电池的复合功能是十分有必要的。
另外，考虑到凝胶和固体电解液是未来电解液体系的发展方向，有必要对这些电解液体系的添加剂效应及其机理进行相关研究。因此未来锌离子电池电解液添加剂的发展方向为以下这几个方面：电解液的结构解析，电解液稳定性的提高，复合添加剂的作用规律，新型电解液的设计以及在其他电解液体系中的应用。

文章链接

Fundamentals and perspectives of electrolyte additives for aqueous zinc-ion batteries
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2405829720303962


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