加拿大国立科学研究院孙书会/张改霞&中国地质大学杨华明 InfoMat：水系锌基可充电电池的最新进展和未来展望

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2021年6月30日，科睿唯安(Clarivate)正式发布2021年科技期刊引证报告(Journal Citation Reports)，InfoMat获得首个影响因子--25.405！

温馨提醒：自2022年1月1日起将正式收取APC（Article Processing Charge）费用。

尽管目前锂离子电池占据了大部分商用二次电池市场，但是由于锂资源匮乏、成本高、有机电解液导致的易燃等问题，限制了它们的进一步发展，特别是在大规模储能系统应用领域。受益于高安全性、锌储量丰富、低成本和高能量密度的优势，水系锌基可充电电池（AZBs）作为具有巨大前景的储能系统，受到了研究者的广泛关注。为了获得具有高可逆性和高能量密度的AZBs，研究人员致力于通过优化电极材料和改性电解质来提高水系锌基电池性能。近日，加拿大国立科学研究院孙书会教授/张改霞博士团队和中国地质大学杨华明教授团队基于不同的电极材料和水系电解质，对水系ZIBs进行了全面的概述，着重介绍了不同水系ZIBs的氧化还原机制。包括嵌入/插层化学 (例如，Zn²⁺、碱金属离子、H⁺、NH₄⁺ 等)、溶解/沉积反应 (例如，MnO₂/Mn²⁺)、液流电池中的氧化还原对(例如，I₃⁻/3I⁻、Br₂/Br⁻ 等)、氧电催化(例如，O₂/OH⁻、O₂/O₂²⁻) 和二氧化碳电催化 (例如，CO₂/CO、CO₂/HCOOH)。尤其系统地回顾了基本反应机制、锌电极、水系电解质和正极材料面临的问题及其设计策略。最后，总结了 AZBs 面临的其他挑战，并提出了进一步研究观点。

该工作以题为“Aqueous Zn-based rechargeable batteries: Recent progress and future perspectives”在线发表在国际知名学术期刊InfoMat上（DOI: 10.1002/inf2.12265）。第一作者是武明杰博士。

文章主要内容如下：

水系锌基电池系统：不同电解质系统和不同反应机理总结

锌阳极：锌阳极的修饰是提高 AZBs 的循环寿命的关键之一。为了解决锌阳极存在的问题，研究者通过不断的努力，已经设计了一些有效的策略 (例如，锌电极添加剂、电解质添加剂、涂层技术等)。最近，对温和电解质系统中的锌电极研究热度很高。然而，锌阳极仍然受到低库伦效率和较差的可逆性的影响。不同的电解质体系，锌电极表现出不同的反应机制、氧化还原电位，面临不同的挑战。碱性电解液中的锌电极会面临腐蚀或溶解、形状变化、钝化 (致密的 ZnO 层)、枝晶生长和析氢问题。与碱性体系相比，在温和的电解质中可以避免锌钝化和形状变化。然而，大多数电解质的弱酸性会导致锌电极腐蚀的问题。温和电解质中存在持续消耗电解质的严重副反应 (H₂ 析出)。后期对影响锌腐蚀和钝化行为的关键因素应该付出更多的努力，如锌电极添加剂、电解液的pH值、盐类和电解液添加剂。

电解质：锌阳极的行为与电极/电解质相互作用密切相关。固态电解质的开发或液态电解质的优化，涉及锌盐类别、盐浓度和添加剂，对于实现高效的锌沉积/剥离至关重要。AZBs 中水系电解质的发展为追求高度可逆的 AZBs 提供了巨大的希望。目前，KOH 代表了最广泛使用的碱性电解液，ZnSO₄、Zn(CF₃SO₃)₂ 和 Zn(TFSI)₂ 广泛用于温和的锌基电池。与 ZnSO₄ 电解质相比，具有较低溶剂化效应的 Zn(CF₃SO₃)、Zn(TFSI)₂ 和 Zn(OTf)₂ 电解质表现出优异的电化学性能。此外，由于游离水的参与引起的副反应消耗锌和电解质，也导致锌电极的低CE。采用超浓电解质或盐包水电解质是拓宽电化学窗口、减少水副反应的有效途径。基于碱性和酸性电解质中 HER 和 OER 的高过电位，已经提出了一种电解质解耦策略，以拓宽电化学窗口并实现电池的最大潜力。电解质解耦设计可以从根本上改变它们的反应机制。以Zn-MnO₂ 电池为例，实现了从插入/提取反应到溶解/沉积反应的转变。又比如锌-空气电池上，Zn(OTf)₂ 电解液中采用 2e-/O₂ 工艺的锌-O₂/过氧化锌 (ZnO₂) 化学反应，代替了 4e-/O₂ 工艺锌-O₂/氧化锌 (ZnO) 化学工艺，更好的提高了锌-空气电池的可逆锌性。

正极：开发高稳定性、高容量和高效的正极材料对于AZBs的应用也同样至关重要。尽管科研工作者致力于探索不同的正极材料做了很大努力，但设计完美满足AZBs要求的正极材料仍然是一个挑战。对于 Zn²⁺ 涉及插入/脱嵌的锌离子电池，Zn²⁺ 缓慢的扩散动力学导致阴极材料的选择范围有限。在这些正极材料中，锰基氧化物因其相对较高的工作电压和较高的比容量而备受关注。然而，水系电解质中的大多数正极材料仍然存在容量低的问题。为了避免由 Zn²⁺ 的低迁移率问题，提出了涉及 Li/Na/K/Mg/Al 嵌入/脱嵌的杂化锌基电池AZHBs 以提高其电化学性能。例如，LiMn₂O₄ 是最有前途的锂离子快速迁移动力学正极材料，并已被广泛研究。与传统的 AZIBs 不同，具有双盐系统 (锌盐电解质 + 锂盐电解质) 的 LiMn₂O₄-Zn 混合电池涉及 Li⁺ 离子插入/脱嵌，而不是 Zn²⁺ 离子的嵌入/脱出。尽管如此，对 AZHBs 的研究仍处于起步阶段，对电极材料和电解质的深入研究对于帮助理解其工作机制非常重要。除了具有插入/脱嵌化学的锌基电池外，开发高效的阴极催化剂对于实现高性能锌空气电池和锌二氧化碳电池也至关重要。然而，大多数无机碳基催化剂显示出有限的电催化活性和稳定性。探索新型基底材料的、可控活性位点设计策略，电子结构的精细调控在未来备受期待。（更正：原创作者为孙书会教授团队）

作者简介：

武明杰，博士，目前在加拿大麦吉尔大学和加拿大国家科学研究院从事博士后研究，主要研究方向是纳米能源材料用于能源储存和转化。重点从事金属空气电池、燃料电池、全解水、Zn-CO₂电池的材料开发和应用。担任‘The Innovation’期刊青年编委，迄今已发表36篇SCI科学论文，被引用次数超过950次，H因子=17，其中一作文章包括ACS Energy Letters, Adv. Energy Mater.，InfoMat, Nano Energy，Energy Storage Materials，Green Chemistry, Small Methods，Nano-Micro Letter, Journal of Catalysis，Applied Energy，Carbon Energy等知名杂志。

杨华明，博士，中南大学、中国地质大学（武汉）教授、博士生导师，中组部国家“万人计划”领军人才、国家杰出青年科学基金获得者。在中南工业大学获学士、硕士和博士学位，先后在英国布里斯托大学、澳洲昆士兰大学所任访问学者。长期从事矿物功能材料、能源与环境材料、生物医药材料、材料计算等研究，在Adv. Funct. Mater., InfoMat, Chem. Mater., Small, J. Phys. Chem. Lett., ChemComm, Appl. Clay Sci.等发表SCI论文180多篇，制定国家/行业标准4项，授权专利40余件，出版专著教材6部，获省科技创新团队奖和省部级科技一等奖，担任Clay Minerals副主编、《硅酸盐学报》编委、中国非金属矿工业协会副会长、中国硅酸盐学会矿物材料分会副理事长等。

孙书会，教授，博士生导师，加拿大国立科学研究院-能源材料与通讯研究所教授，加拿大皇家科学院 (Royal Society of Canada) 青年院士; 现任国际电化学能源科学院(IAOEES)副总裁、Springer-Nature 旗下期刊Electrochemical Energy Review（影响因子28.9）执行主编, SusMat 副主编，及10余种国际学术期刊的编委。长期致力于功能纳米材料的开发及其在清洁能源存储与转化技术与环境中的应用，包括氢能燃料电池、绿色氢能、金属空气电池、锂金属电池、锂/钠/锌离子电池、二氧化碳转换、及水处理等。在Nature Communications, Advanced Materials, Energy Environmental Science, Advanced Energy Materials, InfoMat, Chem, J. Am. Chem. Soc., Angew. Chem. Int. Ed等国际知名期刊上发表论文250余篇，研究成果多次被Advanced Energy Materials，Angew. Chem., Nature Nanotechnology 等期刊选为封面论文或亮点报道。主编专著3部，章节15章，同时获得多个美国专利。与工业界建立了广泛合作，包括加拿大巴拉德电源系统公司、美国通用汽车公司、日本丰田汽车公司等。

课题组网页：https://inrs.ca/en/research/professors/shuhui-sun/

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