第一作者：唐雷、彭昊佳

通訊作者：林志群*、Dong Ha Kim*、劉益江*

單位：新加坡國立大學，韓國梨花女子大學，新加坡科技設計局，湘潭大學

電池在各種電化學能源存儲系統(tǒng)中發(fā)揮著關鍵性的作用，是提高能源利用效率、加快實現(xiàn)能源和環(huán)境可持續(xù)性發(fā)展的重要組成部分。鋅基電池由于具有成本低、安全性高和電化學性能優(yōu)異等特點而受到越來越多的關注，被視為非常具有前景的新興電池技術，可能替代或者補充目前在電池市場中占據(jù)主導地位的鋰離子電池。在這種背景下，人們一直致力于制造和開發(fā)具有高性能的鋅基電池。然而，要想真正實現(xiàn)鋅基電池的大規(guī)模實際應用，還需要解決鋅基電池運行過程中的一些問題，包括放電容量有限、工作電壓低、能量密度低、循環(huán)壽命短、以及儲能機制復雜等。在這篇綜述中，作者全面系統(tǒng)的介紹了在高性能鋅基電池設計和儲能機制研究上的最新進展。

近日，來自 新加坡國立大學的林志群教授與韓國梨花女子大學 的Dong Ha Kim教授以及湘潭大學的劉益江教授 合作，在國際知名期刊 Chemical Society Reviews 上發(fā)表題為 “Zn-based batteries for sustainable energy storage: strategies and mechanisms” 的綜述文章。該綜述首次明確定義和分類了鋅基電池中存在的四種儲能機制（插入型機制、轉化型機制、配位型機制、催化型機制），同時總結了用于設計高性能鋅基電池的各種策略（如圖1所示）。

鋅基電池的儲能機制目前還處于初級研究階段，在理解反應過程和機制方面存在爭議和誤解。此外，復雜的電池裝置也增加了理解和探索鋅基電池反應機理的難度。各種類型的鋅基電池在裝置上具有類似的結構，即主要包括鋅負極、電解液和正極。無論其分類如何，所有鋅基電池負極均基于Zn ²⁺ /Zn 的氧化還原對來發(fā)揮作用。然而，由于電解液和正極材料的變化，可以在正極側實現(xiàn)不同的電化學儲能機制。因此，在這篇綜述中，作者主要討論了正極側的各種氧化還原機制?；谡龢O的不同電化學行為，這篇綜述首次明確定義和分類了四種氧化還原機制：（1）插入型機制、（2）轉換型機制、（3）配位型機制和（4）催化型機制。在這四種反應機制中，插入型機制主要出現(xiàn)在以無機材料（如錳基氧化物或釩基氧化物）為正極的鋅離子電池中，而轉換型機制主要出現(xiàn)在以無機材料（如錳基氧化物或釩基氧化物）為正極的鋅離子電池中以及鋅基氧化還原液流電池中。而配位型機制則主要出現(xiàn)在以有機材料為正極的鋅離子電池（鋅-有機電池）中。此外，催化型機制則主要存在于陰極需要依靠催化劑來促進氧化還原反應的鋅基電池中，例如鋅-空氣電池和鋅-二氧化碳電池。

鋅-離子電池是鋅基電池中最具代表性的電池類型。可充電鋅-離子電池具有安全性高、價格低廉、能量密度大等優(yōu)點而受到廣泛的關注，被視為一種高效和前景廣闊的儲能技術。然而，與傳統(tǒng)的可充電鋰基電池相比，由于其電化學穩(wěn)定電位窗口窄、放電容量有限、副反應復雜以及工作電壓低等限制，目前鋅-離子電池的性能仍未能達到大規(guī)模實際應用的目標。為了應對鋅-離子電池中存在的這些挑戰(zhàn)并獲得具有更長循環(huán)性和更高能量密度的鋅-離子電池，人們采用了多種策略來優(yōu)化其電化學、正極材料、鋅負極以及電解質。這篇綜述深入討論和分析了這些設計策略，尤其關注針對提高容量、工作電壓、能量密度和循環(huán)壽命的設計策略。

鋅-空氣電池因其具有高的理論能量密度（1086 W·h·kg ^-1 ）、安全性好、低成本（比鋰低20倍）以及環(huán)境友好等優(yōu)點而引起了廣泛的研究興趣。值得注意的是，鋅-空氣電池具有與其他儲能系統(tǒng)協(xié)同作用的潛力，能夠提供互補優(yōu)勢。就商業(yè)可行性而言，鋅-空氣電池被廣泛認為具有巨大的前景，在過去十年中引起了廣泛的關注。盡管有關鋅-空氣電池的報道不斷增加，但挑戰(zhàn)仍然存在，包括空氣電極的緩慢動力學和不穩(wěn)定性、陽極的庫侖效率低以及枝晶的產生。這些問題導致鋅-空氣電池的放電容量有限、能量密度低和循環(huán)壽命短。為了應對這些挑戰(zhàn)并實現(xiàn)高性能的鋅-空氣電池，人們提出并開發(fā)了多種設計策略。這篇綜述系統(tǒng)性的總結了提高鋅-空氣電池的容量、輸出電壓、能量密度和循環(huán)壽命的各種策略。

在目前報道的一系列金屬-二氧化碳電池中，Zn-CO ₂ 電池因其避免使用有機電解質而成為一種有前途的環(huán)保性選擇。作為一種新興的鋅基電池，目前關于Zn-CO ₂ 電池的報道較少。由于CO ₂ 分子的化學惰性，目前Zn-CO ₂ 電池的設計策略主要集中在高效電催化劑的設計上。除了新興的Zn-CO ₂ 電池外，近年來還見證了各種其他鋅基電池的提出和發(fā)展，例如鋅-乙炔電池、鋅-硝酸根電池以及各種混合性電池構型。對于這些新興的鋅基電池，目前的設計策略主要集中在陰極電催化劑的設計和電池配置的創(chuàng)新上。

盡管鋅基電池已經取得了顯著發(fā)展，要獲得高性能的鋅基電池，仍然有許多問題需要解決。由于電池工藝和裝置的復雜性，需要投入更多的努力來深入了解鋅基電池的反應機理。同時，需要認識到鋅基電池的優(yōu)異性能主要來源于各個組成部分的協(xié)同增強，而不是單個組成部分的孤立提高。圖2中給出了鋅基電池中尚未解決且需要進一步研究和探索的重要領域。

Zn-based batteries for sustainable energy storage: strategies and mechanisms

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