林志群、Dong Ha Kim、刘益江，Chem. Soc. Rev.综述：可持续性能源存储过程中的锌基电池-策略和机理

第一作者：唐雷、彭昊佳

通讯作者：林志群*、Dong Ha Kim*、刘益江*

单位：新加坡国立大学，韩国梨花女子大学，新加坡科技设计局，湘潭大学

电池在各种电化学能源存储系统中发挥着关键性的作用，是提高能源利用效率、加快实现能源和环境可持续性发展的重要组成部分。锌基电池由于具有成本低、安全性高和电化学性能优异等特点而受到越来越多的关注，被视为非常具有前景的新兴电池技术，可能替代或者补充目前在电池市场中占据主导地位的锂离子电池。在这种背景下，人们一直致力于制造和开发具有高性能的锌基电池。然而，要想真正实现锌基电池的大规模实际应用，还需要解决锌基电池运行过程中的一些问题，包括放电容量有限、工作电压低、能量密度低、循环寿命短、以及储能机制复杂等。在这篇综述中，作者全面系统的介绍了在高性能锌基电池设计和储能机制研究上的最新进展。

近日，来自 新加坡国立大学的林志群教授与韩国梨花女子大学 的Dong Ha Kim教授以及湘潭大学的刘益江教授 合作，在国际知名期刊 Chemical Society Reviews 上发表题为 “Zn-based batteries for sustainable energy storage: strategies and mechanisms” 的综述文章。该综述首次明确定义和分类了锌基电池中存在的四种储能机制（插入型机制、转化型机制、配位型机制、催化型机制），同时总结了用于设计高性能锌基电池的各种策略（如图1所示）。

锌基电池的储能机制目前还处于初级研究阶段，在理解反应过程和机制方面存在争议和误解。此外，复杂的电池装置也增加了理解和探索锌基电池反应机理的难度。各种类型的锌基电池在装置上具有类似的结构，即主要包括锌负极、电解液和正极。无论其分类如何，所有锌基电池负极均基于Zn ²⁺ /Zn 的氧化还原对来发挥作用。然而，由于电解液和正极材料的变化，可以在正极侧实现不同的电化学储能机制。因此，在这篇综述中，作者主要讨论了正极侧的各种氧化还原机制。基于正极的不同电化学行为，这篇综述首次明确定义和分类了四种氧化还原机制：（1）插入型机制、（2）转换型机制、（3）配位型机制和（4）催化型机制。在这四种反应机制中，插入型机制主要出现在以无机材料（如锰基氧化物或钒基氧化物）为正极的锌离子电池中，而转换型机制主要出现在以无机材料（如锰基氧化物或钒基氧化物）为正极的锌离子电池中以及锌基氧化还原液流电池中。而配位型机制则主要出现在以有机材料为正极的锌离子电池（锌-有机电池）中。此外，催化型机制则主要存在于阴极需要依靠催化剂来促进氧化还原反应的锌基电池中，例如锌-空气电池和锌-二氧化碳电池。

锌-离子电池是锌基电池中最具代表性的电池类型。可充电锌-离子电池具有安全性高、价格低廉、能量密度大等优点而受到广泛的关注，被视为一种高效和前景广阔的储能技术。然而，与传统的可充电锂基电池相比，由于其电化学稳定电位窗口窄、放电容量有限、副反应复杂以及工作电压低等限制，目前锌-离子电池的性能仍未能达到大规模实际应用的目标。为了应对锌-离子电池中存在的这些挑战并获得具有更长循环性和更高能量密度的锌-离子电池，人们采用了多种策略来优化其电化学、正极材料、锌负极以及电解质。这篇综述深入讨论和分析了这些设计策略，尤其关注针对提高容量、工作电压、能量密度和循环寿命的设计策略。

锌-空气电池因其具有高的理论能量密度（1086 W·h·kg ^-1 ）、安全性好、低成本（比锂低20倍）以及环境友好等优点而引起了广泛的研究兴趣。值得注意的是，锌-空气电池具有与其他储能系统协同作用的潜力，能够提供互补优势。就商业可行性而言，锌-空气电池被广泛认为具有巨大的前景，在过去十年中引起了广泛的关注。尽管有关锌-空气电池的报道不断增加，但挑战仍然存在，包括空气电极的缓慢动力学和不稳定性、阳极的库仑效率低以及枝晶的产生。这些问题导致锌-空气电池的放电容量有限、能量密度低和循环寿命短。为了应对这些挑战并实现高性能的锌-空气电池，人们提出并开发了多种设计策略。这篇综述系统性的总结了提高锌-空气电池的容量、输出电压、能量密度和循环寿命的各种策略。

在目前报道的一系列金属-二氧化碳电池中，Zn-CO ₂ 电池因其避免使用有机电解质而成为一种有前途的环保性选择。作为一种新兴的锌基电池，目前关于Zn-CO ₂ 电池的报道较少。由于CO ₂ 分子的化学惰性，目前Zn-CO ₂ 电池的设计策略主要集中在高效电催化剂的设计上。除了新兴的Zn-CO ₂ 电池外，近年来还见证了各种其他锌基电池的提出和发展，例如锌-乙炔电池、锌-硝酸根电池以及各种混合性电池构型。对于这些新兴的锌基电池，目前的设计策略主要集中在阴极电催化剂的设计和电池配置的创新上。

尽管锌基电池已经取得了显著发展，要获得高性能的锌基电池，仍然有许多问题需要解决。由于电池工艺和装置的复杂性，需要投入更多的努力来深入了解锌基电池的反应机理。同时，需要认识到锌基电池的优异性能主要来源于各个组成部分的协同增强，而不是单个组成部分的孤立提高。图2中给出了锌基电池中尚未解决且需要进一步研究和探索的重要领域。

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

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