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可充水系鋅電池（AZBs）由于其安全性、經(jīng)濟性和環(huán)境友好性，是大規(guī)模電能存儲有前景的選擇之一。在過去的十年中，AZBs技術取得了顯著進步，這不僅是在電極材料領域，而且在對非電極成分如電解液、固態(tài)電解質(zhì)界面(SEI) 、集流體、粘結(jié)劑和隔膜。尤其是非電極組件的突破，使AZBs獲得了超越傳統(tǒng)AZBs的更高能量和功率密度。

北京理工大學吳川、韓國首爾大學Kisuk Kang等全面回顧了近年來AZBs非電極組件的研究進展，涵蓋了已引入的新型電解液、SEI的定制嘗試以及多功能集流體、粘結(jié)劑和隔膜的設計工作，以及與這些非電極組件相關的剩余挑戰(zhàn)。最后，提出了對該領域未來研究方向的看法。對非電極組件的廣泛概述有望指導和刺激高性能AZBs的進一步開發(fā)。

吳川/Kisuk Kang最新AM：全面回顧可充水系鋅電池的非電極組件

圖1. AZBs中非電極組件示意圖

水系電解液的發(fā)展主要集中在抑制鋅枝晶生長和擴大ESW。據(jù)報道，高濃度電解液的廣泛開發(fā)能夠通過調(diào)節(jié)Zn²⁺水溶劑化結(jié)構(gòu)有效地擴大ESW，但不可避免地會帶來成本和環(huán)境方面的限制。為克服這些限制，引入了一些有效的策略，通過改變?nèi)軇┗瘜W或開發(fā)替代系統(tǒng)來降低水活性，如分子擁擠電解液、深共晶溶劑電解液和水凝膠電解質(zhì)。

在電解液中添加共溶劑和/或雙鹽已被證實是構(gòu)建原位或人工SEI層的有效策略。此外，在引入鋅沉積之前調(diào)整電解液的溶劑化結(jié)構(gòu)以增加還原電位是實現(xiàn)SEI層堅固薄膜有前景的方法。除了深入了解SEI層在穩(wěn)定鋅沉積和水分解方面的機理之外，未來對SEI的研究還應關注離子動力學、自放電率和SEI長期穩(wěn)定性之間的關系。

吳川/Kisuk Kang最新AM：全面回顧可充水系鋅電池的非電極組件

圖2. AZBs電解液的發(fā)展

鋰離子電池中常規(guī)的Cu和Al集流體不能直接用作AZBs中的正極集流體，集流體材料的選擇應參考Pourbaix圖和金屬的反應性系列。合適的集流體金屬，如不銹鋼、鈦和鎳，在工作條件下，可以在表面形成穩(wěn)定的鈍化層。碳質(zhì)集流體如石墨烯和碳納米纖維/納米管紙被認為是酸性電解液的潛在候選物。此外基于共價鍵的集流體-金屬相互作用的應用和構(gòu)建將是定制穩(wěn)定鋅負極的有效策略。

粘結(jié)劑的應用應考慮實際運行條件，包括電解液的pH值、活性材料的孔隙率和集流體的類型。響應最近的全球法規(guī)，考慮到成本和環(huán)境因素，迫切需要開發(fā)水系粘結(jié)劑，努力取代油基PVDF粘結(jié)劑。

最后概述了AZBs隔膜的發(fā)展情況，包括玻璃纖維隔膜、濾紙、無紡布等傳統(tǒng)隔膜，以及陽離子交換Nafion膜和MOF基隔膜等功能性隔膜。作者提出通過調(diào)節(jié)隔膜的離子電導率可以極大地影響鋅沉積行為。此外，通過先進的表征方法進一步了解隔膜內(nèi)外的鋅枝晶生長將有助于確定隔膜設計的方向。盡管功能性隔膜具有高性能，但合成過程的復雜性和隨后的高成本問題影響了它們的實際應用。

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圖3. AZBs中使用的隔膜類型

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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