伦敦大学学院Joule重磅综述：可充电水系锌基储能装置

可充电水系锌基电化学储能（EES）设备 (AZD) 已被证明是多种应用场景中的有前途的候选者。然而，由于析氢和锌枝晶形成等问题，其发展受到可逆性差的困扰。

近年来材料发现和设备配置创新的进步在各个方面都提高了AZD的性能，包括耐用性、工作电压、能量/功率密度和经济可用性。因此，一系列可充电AZDs的研究和商业化成为近年来的热点。

在此，英国伦敦大学学院（UCL）Dan J.L. Brett, Guanjie He等人采用整体视角来总结和审查所有类型的关键设备和具有代表性的15种AZD。

首先，作者讨论了AZD中的电化学电荷存储机制和界面特性。然后，提供了每个关键组件（负极、电解液、正极、隔膜等）的分类、挑战、最新进展和有前景的策略。

接下来介绍了组件的组装方式，以满足特定场景的要求，包括大容量、高功率、超高功率、高能量等4种场景应用。

可充电AZD商业化的一个主要障碍是面积容量普遍较低，目前对新兴AZDs的研究大多仍处于实验室阶段，因此有必要将AZD的评估系统扩大到具有kWh或Ah级装置（如18650和软包电池）。

图1. AZDs和其他EES设备的性能比较

作者认为，下一代AZDs的构建需要从负极、电解液、正极、隔膜、电池配置和理论研究六个方面共同努力。

（1）均匀的锌沉积和抑制寄生反应是解决严重的锌负极问题的关键，推荐设计具有自愈能力的原位人工SEI；

（2）“盐包水”和“分子拥挤”电解液可以有效拓宽电势窗，但应提高其稳定性；

（3）改进AZDs正极材料的策略主要分为两类：减少锌离子和正极材料之间的分子间相互作用（预嵌入和杂原子掺杂）以及构建有利于锌离子传输的结构（孔径工程、尺寸调节、缺陷工程等）；

（4）迫切需要在近中性和碱性介质中的高性能隔膜，多孔膜是最佳候选之一。此外，复合膜工程是降低膜成本和厚度并提高电化学性能的有效策略；

（5）需要为特定应用中的AZD找到最佳电池配置，在性能和成本之间取得平衡；

（6）建议结合先进的原位表征技术（同步加速器X射线断层扫描、SEM、中子散射等）进行计算研究（DFT和MD）以了解关键储能机制。

图2. AZDs性能优化策略的多角度评估

Rechargeable aqueous Zn-based energy storage devices, Joule 2021. DOI: 10.1016/j.joule.2021.10.011

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