综述背景
综述内容
综述要点
⭐深入探讨了水系锌离子电池(AZIBs)在实现大规模电化学储能方面的潜力与挑战。文章指出，尽管AZIBs因其低成本和固有安全性而备受瞩目，但目前实验室研究往往集中在单一性能指标上，如追求超长循环寿命、超高倍率和基于正极活性材料质量计算的高能量密度，这些研究通常基于较低的正极负载、过量的锌和大量的电解液，这与实际应用中对高阴极面积容量、低N/P比、低E/C比等工业要求相去甚远。
⭐作者呼吁学术界和工业界关注这些实际应用中的苛刻条件，并提出了系统化的优化策略，包括高正极负载、低N/P比和低E/C比，以实现工业级能量密度和稳定性的AZIBs。文章还特别强调了在这些条件下影响软包电池稳定性的主要挑战和因素，并讨论了软包电池和工业电池在稳定性和生产要求方面的差异。
⭐最终，作者提出了从工业角度出发，实现稳定和高能量密度AZIBs的关键视角和策略。
图文导读
图6. (a) 电极和隔膜润湿性示意图。(b) 电解液的不可逆耗尽。(c) 正极和隔膜的孔隙率。(d) 正极电极孔隙率过高和过低的问题。(e) 隔膜的优化策略。
总结与展望
目前为止，研究者已经在水系锌离子电池领域做出了许多努力，但大多数取得了显著结果的测试都得益于正极负载不足、过量的锌负极和大量的电解液。这篇综述从工业角度分析了实现高能量密度和稳定水系锌离子电池的基本要求。针对高正极负载、低N/P比和低E/C比的技术挑战，我们系统地讨论了优化策略和评估方法，涉及活性和非活性组分，并剖析了在这些严苛条件下影响软包电池稳定性的主要因素。更重要的是，在实现水系锌离子电池理想能量密度的前提下，进一步阐述了软包电池和工业电池在稳定性(例如自放电性能、温度适应性)和生产制造要求方面的差异。然而，应该指出，前面部分的分析是基于目前报道的结果，以及基于这些结果预测的性能指标。在实际运行过程中，仍然存在许多科学技术挑战。
从纽扣电池到软包电池的考虑
对于高阴极面积容量。高阴极面积容量意味着需要厚电极。除了优化粘合剂和集流体外，一个关键的考虑因素是实现这些组分与活性材料和导电碳在电极内的均匀分布，这可以防止机械应力的增加，并且还在电极内构建了有效的离子和电子传输通道。厚电极内组分的不均匀分布通常归因于浆料的干燥过程。使用干法制备阴极可能是解决这个问题的有效手段。另一个重要挑战是，高负载会导致活性材料的利用率降低。由于厚电极内电解液的渗透有限，只有电极表面的活性材料才能实现深度充/放电反应。这种不均匀反应导致反应性低和容量有限。由此产生的压力会导致电极裂纹，并加剧电极材料溶解。因此，阴极材料需要在稳定性和电化学活性之间取得平衡，这是在高质量负载下获得高利用率的关键。对于以Zn2+插入和提取为主的阴极材料，如基于钒的材料，最好具有松散的结构，这有利于促进离子转移。有效的策略包括在结构框架内共掺杂阳离子和水分子或有机分子。然而，目前大多数报道的制备方法都是水热法，在现有条件下难以实现大规模生产。像球磨这样的大规模生产方法是非常需要的。此外，电解液对阴极材料的性能有重要影响。电解液的调节可以通过界面效应或诱导阴极材料原位相变的电化学过程来缓解阴极材料的退化，并确保快速的离子扩散动力学。
对于低N/P比。为了获得低N/P比，关键是在高深度放电(DOD)下追求锌阳极的高稳定性或高库仑效率(CE)。由于锌箔作为电极的固有缺陷，通过人工涂层或结构改性在高DOD下实现高稳定性是很困难的。锌阳极依赖于无宿主Zn2+/Zn剥离/电镀的能量存储机制，因此在高容量下很容易造成人工涂层脱落和修改结构的损坏。能够形成电化学适应性界面层或在锌箔表面诱导均匀平滑沉积的功能电解液可能适合这种模式。然而，目前开发的提高锌阳极稳定性的电解液仍然缺乏在高DOD下的评估。与锌箔相比，通过复合轧制将锌箔和集流体复合成阳极电极，或者使用集流体上的电镀锌阳极，由于其固定的集流体，在工业生产中更可控。这些复合锌阳极不会遭受穿孔，并且具有更高程度的一致性。然而，在高容量条件下，锌电镀仍然存在一些问题，例如锌和集流体之间的原电池反应，导致活性锌的腐蚀。因此，进一步的研究应该集中在修饰集流体或开发新的集流体上。
对于低E/C比。电解液用量是影响E/C比的关键指标。从物理上讲，要尽可能减少电解液用量，正如在“低E/C比的挑战和策略”部分所讨论的。然而，减少电解液用量不利于电池的稳定性，这意味着对电解液进行化学功能化是必不可少的。理想的电解液不仅可以平衡正极和负极之间的界面问题，防止过量的电解液消耗，还可以防止每个电极的氧化或还原产物相互干扰。值得注意的是，电解液设计对于不同的正极材料是不同的。例如，基于钒的材料主要考虑抑制它们的钒溶解，而基于锰的材料不仅要考虑电极的稳定性，还要考虑锰溶解和沉积的可逆性。此外，在水系电解液中，一个更常见的现象是ZHS在反应过程中的可逆形成和消失，表明一些液体在电化学过程中转化为固体。ZHS的形成通常是为了对抗质子反应的效果，这是一种常见的能量存储反应。然而，目前尚不清楚ZHS的形成对于学术界是有益还是有害的。如何在电解液功能化中平衡ZHS的作用也是一个需要考虑的关键因素。这些考虑增加了设计低E/C比的复杂性。
从软包电池到工业电池的考虑
综合性能考虑。工业电池需要根据实际应用情况考虑综合性能指标，而不是在实验室中追求单一的性能指标。图2d中的正极负载、N/P比和E/C比设置都是理论上的，在实际生产过程中不能忽视这些严苛条件引起的容量退化。在能量密度要求较低的应用场景中，这些指标也会放宽。例如，可以使用厚隔膜和高N/P比来延长电池的寿命。应该指出的是，目前大多数报告采用循环次数来衡量电池的稳定性，即使是在高电流密度下。应该考虑更科学的评估指标(例如日历寿命)。除了单元电池内部因素对电化学性能的影响外，工业电池还需要考虑外部环境因素。温度适应性和自放电性能不仅应该在单元电池中考虑，而且在工业电池中，尤其是它们的一致性。在实际应用中，环境腐蚀阻力也至关重要，因为工业电池需要长时间放置在外部环境中。尽管有保护罩，但风雨老化或海水和高盐地区的腐蚀仍然威胁着电池的稳定性。
建立工业化标准。从纽扣电池到软包电池的转换是实现工业化的关键一步。这两种类型的电池都具有其研究价值，但对于实际应用来说，软包电池不能完全借鉴纽扣电池的评估手段和参数。目前，无论是纽扣电池还是软包电池，评估其电极材料、电解液功能、电池性能和测试条件的标准都是有限的且不一致的。例如，对正极负载、N/P比和E/C比的评估仍然缺乏全面的范围；同样，也没有统一的高低温性能测试条件来评估其是否适合严苛的实际环境。因此，在考虑工业化时，我们再次呼吁学术界和工业界建立一个实用的水系锌离子电池的评估标准，以促进其工业化进程。
文献信息
Challenges and
industrial considerations towards stable and high-energy-density aqueous
zinc-ion batteries, Yida Hu, Peiyuan Wang, Mingzhu Li, Zhexuan Liu, Shuquan
Liang and Guozhao Fang. Energy Environ. Sci.
https://doi.org/10.1039/D4EE03628J
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水系储能
