储能技术中，水系锌金属电池（AZMBs）因其低成本和高安全性而脱颖而出。由于其竞争性的理论容量（820 mAh g-1或5855 mAh cm-3）、高丰度、固有安全性、低标准电位（-0.762 V vs SHE）和可逆的剥离/沉积特性，AZMBs近年来受到了广泛关注，被认为是大规模储能的最佳候选之一。尽管AZMBs的显著特性呈现出卓越的发展前景，但实际应用仍面临许多挑战。最突出的是，与其他电池系统中的现象类似，锌离子倾向于在阳极不均匀沉积，导致不可控的枝晶生长并触发内部短路。持续的副反应，包括腐蚀、表面钝化和析氢，导致库仑效率（CE）降低和性能恶化，为AZMBs的实际部署设置了障碍。此外，合适的阴极材料选择仍然受到限制。阴极材料通常面临这些问题：（1）缓慢的扩散动力学。Zn2+与高度极性的H2O分子之间的强库仑相互作用形成了水合[Zn(H2O)6]2+。大体积效应和电极/电解质界面处复杂的去溶剂化导致Zn2+离子迁移缓慢；（2）结构崩溃。在重复的离子插入/脱插过程中，晶格间距会周期性地膨胀/收缩，不可避免地导致体积变化和结构粉碎；（3）不可逆的相变。具有d电子的过渡金属，如Mn、Cu，在循环过程中容易诱导Jahn-Teller效应，导致MO6的配位从八面体畸变为四边形；（4）阴极溶解。过渡金属由于Jahn-Teller效应会经历歧化反应，导致在电解质中溶解。酸性环境可能加速溶解过程。AZMBs中的电解质也限制了实际发展。水作为溶剂具有狭窄的电化学稳定电位窗口（ESPW），仅约1.23 V vs SHE，限制了AZMBs的实际能量密度。此外，由于水的高冰点，AZMBs不能在低温条件下使用。锌金属因其高氢过电位和适当的标准电位，适合直接用作AZMBs的阳极。然而，析氢反应（HERs）会基于热力学角度在锌阳极/电解质界面自发发生，提高电极表面的局部pH值，从而促进副产物的形成。更重要的是，气体进化反应提高了内部压力，导致电解质的耗尽。因此，电池可能会经历循环耐久性和整体电池寿命的下降，并最终损坏包装好的电池。迄今为止，已经提出了各种策略来解决这些问题并优化AZMBs的电化学性能，但仍有改进的空间。
近日，北京理工大学白莹、吴川、赵然团队发表了将高熵材料（High-Entropy Materials, HEMs）应用于水系锌金属电池（Aqueous Zinc Metal Batteries, AZMBs）的综述。通过综述高熵材料在解决锂离子电池（LIBs）或钠离子电池（SIBs）中的关键问题上取得的显著进展，探讨了HEMs在AZMBs中的潜在应用前景。研究团队详细分析了HEMs作为AZMBs的关键组件，包括正极、负极和电解液的改良应用路径，并讨论了这些材料在提高结构稳定性、抑制有害相变、加速传输动力学以及优化电池性能方面的潜力。此外，他们还评估了HEMs在AZMBs中可能面临的挑战，并提出了将高熵概念从现有的可充电电池系统扩展到AZMBs的创新方向，旨在为开发稳健且实际可行的基于HEMs的AZMBs提供指导。
该成果以“High-Entropy Materials for Aqueous Zinc Metal Batteries”为题发表在“Energy & Environmental Science”期刊，第一作者是Han Xiaomin。
本文基于HEMs在二次能源存储领域的现有应用，分析并评估了HEMs在AZMBs中的潜在应用和有效应用路径。HEMs在AZMBs中的应用已取得初步进展，特别是在解决阳极界面副反应以及电解质的动力学和低温性能不足等问题上显示出巨大潜力。未来，预计通过进一步的材料优化和设计，继续开发性能优越的HEMs，以推动AZMBs的实际应用和商业化进程。本文重点关注了HEMs在LIBs和SIBs中的具体应用方法和反应机制，并基于AZMBs与这两种系统在电池结构、电极材料和失效机制方面的相似性，从三个关键组件：阴极、阳极和电解质出发，详细探讨了HEMs在AZMBs中可能解决的具体问题，并展望了其在该领域的应用前景。AZMB的实际应用受到多种关键电池组件失效行为的阻碍，包括常用的阴极结构退化、锌阳极表面的枝晶生长/副反应，以及水系电解质的窄电化学窗口和温度范围等。在阴极方面，基于高熵效应、晶格畸变、钉扎效应和鸡尾酒效应的阴极材料表现出增强的结构稳定性、延长的循环寿命、拓宽的工作电压、延迟的相变和加速的传输动力学，有望解决AZMBs阴极中常见的结构不稳定、相变和动力学缓慢等问题；在阳极方面，高熵表面工程和高熵材料化赋予材料高结构稳定性，优化的电解质/电极界面有利于均匀的表面金属离子和电场分布，实现均匀的离子沉积和快速动力学。当应用于AZMBs时，不同的表面/体积组分可能增加HER的过电位并抑制副反应的发生，同时实现具有均匀电场分布的均匀沉积；在电解质方面，复杂的盐/溶剂组成有利于提高电解质中金属离子的构型熵。构型熵的变化显著影响电解质的粘度和温度范围。HE电解液中的金属离子的溶剂化结构可以被调节，以减少EDL中的自由水分子数量，并破坏原始电解质中水分子的氢键网络。引入高熵组分或高熵构型改变了金属阴离子/溶剂在溶剂化结构中的组成和溶剂化效应，从而解决了AZMBs中的HER和腐蚀等副反应，拓宽了电池的应用温度范围，并实现了Zn2+的快速去溶剂化剂化和均匀沉积。
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