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周豪慎/楊慧軍ACS Energy Lett.觀點: 水活性調(diào)控引領未來水系鋅電發(fā)展！

目前，水分子的高活性仍然對鋅離子電池構成威脅，導致鋅負極過早失效、正極溶解和低溫性能較差。鑒于對水分子狀態(tài)及其與鋅離子電池性能的交織關聯(lián)的了解較淺，因此，迫切需要強調(diào)調(diào)節(jié)水分活度的重要性并總結水系鋅離子電池的最新進展。

在此，日本筑波大學周豪慎教授、產(chǎn)業(yè)技術綜合研究所（AIST）楊慧軍等人總結了有關抑制水活性方法的開創(chuàng)性研究，以及對控制水系電解液特性的分子水平相互作用的全面和基本理解。

首先，作者詳細介紹了水分子與鋅金屬負極的相互作用。然后，總結了解決與鋅負極相關問題的策略，包括增加水系電解液鹽濃度、有機/離子液體電解液、配體輔助水系電解液、構建先進界面、凝膠/膠體電解質等。同時，正極材料在運行過程中會因水在介質中的溶解而導致容量顯著衰減，濃縮電解質溶液或通過配體輔助電解液的創(chuàng)新可緩解穿梭問題并有利于電池循環(huán)。在低溫條件下，氫鍵和離子相互作用的強度在溶液中應很好地平衡以獲得最低的固液轉變溫度。此外，具有配體的電解液工程也是提高水系鋅離子電池低溫性能的有效策略。

圖1. 鋅負極上的界面副反應示意圖

最后，作者總結了水系鋅離子電池未來發(fā)展的挑戰(zhàn)：

（1）實際應用需要無負極電池或使用有限量的鋅金屬作為負極，這進一步挑戰(zhàn)了鋅的可逆性；

（2）具有高面積容量和貧電解液狀態(tài)的深度循環(huán)負極對于實現(xiàn)具有更高能量密度和更低成本的水系電池至關重要；

（3）低溫下離子電導率不足仍然是一個問題，犧牲了電池倍率性能；

（4）高溫時水的揮發(fā)性、與鋅負極的反應限制了其高溫下的應用。

因此，為實現(xiàn)完全實用的水系鋅離子電池，應進一步努力降低水的活性。配體輔助電解液有望成為未來研究甚至實際應用的最有希望的候選者：一方面，多功能電解質可根據(jù)配體的選擇而變化，待探索的配體空間十分廣闊；同時，配體的引入有望重組電解液的溶劑化結構或破壞氫鍵，從而在鋅負極可逆性、正極穩(wěn)定性和低溫性能方面產(chǎn)生巨大差異。

圖2. 配體輔助水系電解液的研究示例

Regulating Water Activity for Rechargeable Zinc-Ion Batteries: Progress and Perspective, ACS Energy Letters 2022. DOI: 10.1021/acsenergylett.2c01152

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