吴川/Kisuk Kang最新AM：全面回顾可充水系锌电池的非电极组件

可充水系锌电池（AZBs）由于其安全性、经济性和环境友好性，是大规模电能存储有前景的选择之一。在过去的十年中，AZBs技术取得了显著进步，这不仅是在电极材料领域，而且在对非电极成分如电解液、固态电解质界面(SEI) 、集流体、粘结剂和隔膜。尤其是非电极组件的突破，使AZBs获得了超越传统AZBs的更高能量和功率密度。

北京理工大学吴川、韩国首尔大学Kisuk Kang等全面回顾了近年来AZBs非电极组件的研究进展，涵盖了已引入的新型电解液、SEI的定制尝试以及多功能集流体、粘结剂和隔膜的设计工作，以及与这些非电极组件相关的剩余挑战。最后，提出了对该领域未来研究方向的看法。对非电极组件的广泛概述有望指导和刺激高性能AZBs的进一步开发。

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图1. AZBs中非电极组件示意图

水系电解液的发展主要集中在抑制锌枝晶生长和扩大ESW。据报道，高浓度电解液的广泛开发能够通过调节Zn²⁺水溶剂化结构有效地扩大ESW，但不可避免地会带来成本和环境方面的限制。为克服这些限制，引入了一些有效的策略，通过改变溶剂化学或开发替代系统来降低水活性，如分子拥挤电解液、深共晶溶剂电解液和水凝胶电解质。

在电解液中添加共溶剂和/或双盐已被证实是构建原位或人工SEI层的有效策略。此外，在引入锌沉积之前调整电解液的溶剂化结构以增加还原电位是实现SEI层坚固薄膜有前景的方法。除了深入了解SEI层在稳定锌沉积和水分解方面的机理之外，未来对SEI的研究还应关注离子动力学、自放电率和SEI长期稳定性之间的关系。

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图2. AZBs电解液的发展

锂离子电池中常规的Cu和Al集流体不能直接用作AZBs中的正极集流体，集流体材料的选择应参考Pourbaix图和金属的反应性系列。合适的集流体金属，如不锈钢、钛和镍，在工作条件下，可以在表面形成稳定的钝化层。碳质集流体如石墨烯和碳纳米纤维/纳米管纸被认为是酸性电解液的潜在候选物。此外基于共价键的集流体-金属相互作用的应用和构建将是定制稳定锌负极的有效策略。

粘结剂的应用应考虑实际运行条件，包括电解液的pH值、活性材料的孔隙率和集流体的类型。响应最近的全球法规，考虑到成本和环境因素，迫切需要开发水系粘结剂，努力取代油基PVDF粘结剂。

最后概述了AZBs隔膜的发展情况，包括玻璃纤维隔膜、滤纸、无纺布等传统隔膜，以及阳离子交换Nafion膜和MOF基隔膜等功能性隔膜。作者提出通过调节隔膜的离子电导率可以极大地影响锌沉积行为。此外，通过先进的表征方法进一步了解隔膜内外的锌枝晶生长将有助于确定隔膜设计的方向。尽管功能性隔膜具有高性能，但合成过程的复杂性和随后的高成本问题影响了它们的实际应用。

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图3. AZBs中使用的隔膜类型

Non-electrode Components for Rechargeable Aqueous Zinc Batteries: Electrolytes, Solid-Electrolyte-Interphase, Current Collectors, Binders, and Separators. Advanced Materials 2021. DOI: 10.1002/adma.202108206

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