南京理工陈涛、傅佳骏AFM综述：有机材料在锌基水电池中的关键作用：调节阴极、阳极、电解质和隔膜

由于低成本、显著的能量密度、高安全性和环保性，水系锌离子电池作为有前景的储能设备引起了广泛关注。然而，阴极溶解、电解质寄生反应、无序锌枝晶生长和易穿孔隔膜等相互挑战严重阻碍了水系锌离子电池的广泛商业化。实现高性能的锌离子电池变得迫切但极具挑战性。

鉴于此，南京理工大学陈涛教授和傅佳骏教授及其硕士研究生陈薇创造性的总结了有机材料在锌离子电池中的设计策略的全面概述，包括阴极、阳极、电解质和隔膜。此外，还讨论了挑战和未来研究方向，为进一步开发高稳定性的锌离子电池提供指导。

图1 有机材料用于锌离子电池的分类示意图

1. 锌离子电池用有机材料基正极与粘结剂

正极材料的选择是决定电池能量密度和循环性能的关键，电池的能量密度和循环性能是电压和比容量的乘积。相比于一些常用无机材料，有机化合物提供了更大的设计灵活性，允许系统地改变电极材料的电压、容量、电导率、氧化还原动力学和其他特性。

图2 锌离子电池中有机正极的优缺点

使用有机阴极材料有以下好处：首先，有机阴极材料不含重金属，具有可再生性和生态效益。其次，可以通过改变有机分子的结构来改变有机材料的电化学特性，包括其机械性、导电性、溶解性和比容量。再者，氧化还原反应型有机阴极材料显示出较高的充放电速率。第四，有机阴极材料在存储单价与多价阳离子方面大有可为，它们不受反平衡离子选择的限制。

图3 代表性的锌离子电池有机材料正极的研究示例

2. 水系锌离子电池的有机材料集成负极

锌离子电池在工作时会出现一些致命的问题：首先，锌枝晶是我们所面临的最主要的问题。在充电过程中，锌离子从阴极可逆地提取出来并沉积在锌阳极上。锌在金属阳极上会发生沉积不均而导致锌枝晶的生长的现象，这种沉积会在锌电极表面形成一个凸起的表面，导致电子在表面峰值处聚集。

同时，锌离子电池在反复充电和放电的同时，会在锌阳极表面形成电化学惰性氧化锌。这导致界面和离子扩散阻力增加，放电时电位降低，充电时电位升高；同时也会阻碍氢氧根离子、锌酸根离子和放电产物的迁移，导致碱性锌电池的容量迅速下降。

其次，锌金属在水中热力学性质不稳定，在水环境中容易受到游离水的腐蚀。由于电解质浓度和电荷在锌阳极表面的分布不规则，这种腐蚀通常是局部的。尽管锌阳极对氢沉淀反应具有很高的过电位，但在广泛使用的弱酸性电解质中，这些反应难以避免，从而导致局部 pH 值升高。反过来，pH 值的升高又会形成副产物。

图4 锌负极的主要问题和解决方案示例

值得注意的是，这些现象，包括枝晶生长、界面副反应和氢沉淀腐蚀钝化，并不是独立存在的，而是相互影响的。为了实现锌离子电池的实际应用，有必要同时解决这些所提出的问题。人们提出了各种策略来稳定锌负极和反应界面，包括新型的电极结构设计、锌合金负极、表面强化和电解质优化。有机电极的电化学性能可以通过不同的官能团合理调节、表现出良好的有机材料可设计性。这些重要特征允许各种可设计的合成路线和方便的功能化。

图5 代表性的有机材料进行锌负极改性的研究示例

3. 有机材料优化电解质性能

如果水系电池中的水作为电解质直接参与反应，则会发生电解反应并产生气体（如氧气和氢气）。然而，即使水没有直接参与反应，电极反应也可能导致水分解，从而产生气体。这些气体的存在可能会使建立稳定的固态电解质界面变得复杂。为了实现锌金属阳极的可逆性，有必要深入研究锌离子、阴离子物种之间的相互作用以及目标表面的界面相互作用。

通常，凝胶电解质（GPE）和固体电解质（SPE）是 ZIB 中使用的聚合物电解质的典型分类。这些电解质的合成方法是将锌盐溶解到聚合物骨架（如 PEO、PAN 和 PVDF 等）中，生成聚合物-盐复合物。由于自终止效应，这会在靠近锌阴极的地方形成界面层，从而使表面更均匀，稳定性更高。此外，这种均匀导电层还能在阳极表面形成均匀的表面电场和均匀的锌沉积。凝胶聚合物电解质（GPE）是在聚合物基质中结合离子化合物和增塑剂而制成的。由于这些 GPE 在室温下具有高离子电导率，而且与电极触点特别兼容，因此引起了人们的极大兴趣。

图6 代表性的锌离子电池凝胶电解质的研究进展

普通的电解质无法阻止副反应和 HERs 的形成，从而导致电池体积增大等问题。研究人员发现，在电解液中添加添加剂可以有效减少上述现象，从而解决这一系列问题。水溶液电解质添加剂可以减少阳极界面的副反应，增加电化学稳定窗口，防止枝晶生长，限制扩散机制，从而提高界面稳定性。

图7 代表性的锌离子电池电解液添加剂的研究进展

5.有机材料应用于隔膜的改性

隔膜在维持电池的安全和性能方面起着至关重要的作用。它可以防止阴极和阳极之间的短路和物理接触，同时也是锌离子在电极之间快速、有效地移动并直接与电极表面相互作用的通道。在为水系锌离子电池选择合适的隔膜时，必须考虑其机械性能（如杨氏模量）以及物理特性（包括锌离子电导率）。此外，还应考虑隔膜与阴极、阳极和电解液之间的化学稳定性。

图8 代表性的锌离子电池隔膜的研究进展

这篇综述总结了有机材料在锌离子电池中的应用，并根据其发展水平和材料原理强调了可行的材料应用策略。我们的目标是为锌离子电池的未来发展提供指导，锌离子电池应具有环保、安全、成本效益高、支持快速充放电等特点。尽管存在这些挑战，水性锌离子电池的发展前景仍十分广阔，未来有望成为锂离子电池的替代品。随着研究和开发的不断深入，锌离子电池将继续向前发展，并在商业应用方面取得进展。

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