标定锌负极：可充电锌空电池何去何从？
一、研究背景
在过去的几十年中，各种使用碱性锌负极的电池已经被大量研究并部分商业化。其中，自20世纪中叶以来，可充电锌空气电池（ZAB）被认为是未来绿色能源储存的可持续替代品。尽管进行了大量的研究工作，但由于性能不足，目前还不可能大规模地将这种电池商业化。最近，Parker和他的同事指出，在锌基电池性能的测试中存在一个普遍的错误，即通过在实验室研究中用对锌基半电池的性能进行测试，以确定其未来在实际应用中的性能。因此，对电池性能进行可评估的需求在整个电池研究领域变得越来越重要。从这个角度来看，ZAB和碱性锌负极电池能否满足目前的所有预期？当今ZAB的最好的性能是什么？未来的研究应该朝哪个方向发展？
二、研究工作介绍
在本篇综述中，作者参考了Parker等人最近提出的指南，选择了七个指标来制定评价标准，并且基于这七个指标分析了碱性锌负极在可充电ZAB中的应用性能。因此，作者选取了过去20年里发表的70篇报告进行研究。研究发现，大多数分析数据通常只会在七个指标中的两个指标中产生较高的值，只有少数研究提供了由这七个指标来评估性能所必需的数据。通过比较锌负极概念在可充电ZAB及各种碱性锌电池中的平均性能，表明那些已报道的有应用前景的锌负极概念大多尚未在可充电ZAB中进行应用，这些可充电ZAB都在用锌片作为负极。因此，未来的ZAB研究中应该更好地结合那些性能最好的锌负极，以得到高效而稳定的电池。最后，本文的研究可以为如何报道相关数据以充分评估ZAB性能提供指导。该文章发表在国际顶级期刊ACS Energy Letters上。Daniel Stock为本文第一作者。
三、核心内容
3.1 性能衡量指标
为了评估锌负极的性能，本文定义了7个性能指标。
表1 碱性电池用锌负极最优性能评定的相关指标。（这些指标被分成四大类）
本文的文献调研分为两组（如图1.），分别报道了不同类型的锌基电池中含有单个评估指标所需信息的文献在总调研文献中所占的比例。在第一组中，根据引入的评估指标，对各种可充电锌负极概念进行了评估。这一组专门介绍了锌负极的新颖概念和组成的研究，以便在包括可充电ZAB在内的碱性电池中应用。第二组则专门研究使用锌负极的ZAB，这一组的目的是评估已报告的ZAB的最佳性能。
图1. 可获取信息以评估锌负极性能的相应指标的出版物数量图解。
3.2 碱性锌阳极的最新性能
图2描述了在碱性电池中测试的锌负极概念和可充电ZAB中锌负极的最佳性能。
图2. 文献中报道的评估指标的数值分布。（a）碱性锌负极概念，（b）可充电锌空气电池。红点和蓝点是从文献中得到的数据，紫色菱形符号是这些值的中间值
图3. 文章中关于锌基电池性能和可达到的循环圈数Nc之间的关系。（a）碱性电池中不同的锌负极概念，（b）ZAB中的锌负极。
从图2和图 3可以看出，如果考虑负极整体的质量，可充电ZAB中锌负极的最佳性能的最大值是369 Wh kg−1anode。通过比较在可充电ZAB（图2b）中锌负极的最佳性能与在碱性电池中应用的锌负极概念的最佳性能，我们发现后者有更高的AM，但是其Q更低。Q的差异可能是由正极效率的不同造成的，但是两者的Nc的中间值都能达到100。为了排除造成这种性能差异的可能原因，这些评估指标必须相互关联起来。因此，在后面这一部分将对这两组文献进行详细分析，以发现所报道的碱性电池和ZAB用锌负极的总体特性。
3.3 在碱性电池中应用的锌负极概念
在这一部分，研究了近20年来有关锌负极的各种概念和组成的36篇出版物。表2给出了这些电池的性能（包括电极和电解质的成分）。
表2. 已发表文章中关于碱性锌负极不同概念的的电池基本特性。（beaker cells：电池的电解液体积很大，而电极面积较小。stack-type：电池由垂直排列的平面板组成，中间有电解液。Coin-type：电池采用圆柱形几何结构和相对较小体积的电解液的钢制外壳。）
如果将报告中所有的评估指标联系起来，并根据实际相关的衡量标准来评估性能。为了实现这些指标之间的关联性，本文将几乎在所有文献中都出现过的Nc当做联系这些性能指标的纽带，并用Nc对其余四个指标QAM/VE,AM，Q和dis的函数来作图（图 3a）。
3.4 在可充电锌空气电池中应用的锌负极
在这一部分，研究了近20年来有关锌负极的各种概念和组成的32篇出版物。不同电池的类型，电极和电解液的组成都列在表3中，并用Nc对其它的评价指标的函数作图（图 3b）。
表3. 关于可充电ZAB的已发表文章的电池基本特性。
四、结论与展望
本文分析了过去20年发表的研究报告中所报道的在可充电ZAB中应用的各种活性锌负极概念的性能。本文定义了七个指标来评价锌负极的性能，希望这些指标能够聚焦于电池的实际应用，并且对报道的电池有一个有用而全面的评估。另外，这些方法也可以用于其它电池体系的评价。本文选择的这些评价指标表明，在可充电ZAB中应用的锌负极的性能普遍低于报道的在其它碱性电池中测试的性能。因此，在ZAB的研究中人们对锌负极的关注度还不够高，很多有前途的锌负极概念还没有被用于ZAB中。本文也建议研究人员能够更多地关注一下电池的负极结构和电解液的体积。最近的研究报告旨在提高碱金属的利用率，但是其循环寿命仍限制在100圈以内，并且没有报道添加的电解液的体积。以上这些都可以对锌负极的整体性能进行全面的评估，提高其在可充电ZAB中的应用。作者希望通过电池研究的多个不同学科之间的合作可以充分发挥这种高能量密度电池技术的潜力。
Daniel Stock, Saustin Dongmo, Jürgen Janek, and Daniel Schröder, Benchmarking Anode Concepts: Quo Vadis Electrically Rechargeable Zinc-Air Battery?, ACS Energy Letters, 2019. DOI:10.1021/acsenergylett.9b00510
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