综述:无阳极水基锌金属电池:最新进展与前景

时间:2026年1月18日
来源:Energy Storage Materials

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锌金属无阳极电池通过界面工程与电解质优化提升能量密度与循环稳定性,解决锌源限制及副反应难题。

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朴惠琳 | 姜眞淑 | 孟培迅 | 傅浩 | 黄胜阳 | 朴 chan sol | 金贤哲 | 王尚博 | 金英坤 | 吴宇彤 | 朴镐硕
韩国庆尚北道水原市Jangan-gu Seobu-ro 2066号,成均馆大学(SKKU)化学工程学院,邮编16419

摘要

无阳极全电池被认为是电池技术中的一种新兴架构,能够实现水基锌金属电池(AZMBs)的最大能量密度、最低制造成本和最小的环境影响。然而,有限的锌资源以及不可避免的界面反应阻碍了无阳极锌金属电池(AFZMBs)的实际应用。本文全面回顾了用于高能量密度和长循环寿命AFZMBs的材料及相应界面工程的最新进展,探讨了其工作原理、特点和主要挑战,并从电解质和界面工程的角度对称地讨论了提高AFZMBs性能的各种策略。最后,我们对AFZMBs的未来发展提出了观点,旨在开发出适用于新兴领域和实际应用的高能量密度、低成本全电池。

引言

储能设备的发展有效解决了风能和太阳能等清洁能源的间歇性问题,使得清洁能源能够从生产到应用得到稳定整合。其中,锂离子电池因其高容量和能量密度而被广泛应用于各个领域。然而,锂资源的有限性、锂金属的高反应性以及易燃的电解质给锂离子电池的成本和安全带来了挑战,这促使人们需要考虑更经济、更安全、更可靠的储能技术[1]。在这种背景下,水基可充电电池由于其水基电解质而具有巨大的潜力,相比非水基系统,它们具有更好的安全性、离子导电性、成本效益和环境友好性。其中,水基锌金属电池(AZMBs)在多个方面展现出独特优势[2,3]。首先,锌金属具有较高的理论容量(820 mAh g⁻¹),其天然丰度远高于锂、钴等材料,为锌金属电池提供了显著的成本优势。其次,尽管锌金属沉积(-0.76 V vs. SHE)与水基电解质的电化学稳定窗口之间存在热力学不兼容性,但通过动力学稳定性仍可实现AZMBs的可充电性[4]。即使在过充或过放电的情况下,锌金属也能保持电化学稳定性,从而降低热失控风险,进一步提高电池安全性。
尽管如此,传统的AZMBs仍面临枝晶生长、腐蚀以及来自阳极侧的氢 evolution 反应(HER)等问题,这些问题导致循环性能下降、循环稳定性降低和库仑效率(CE)降低。为了解决这些问题,人们开发了多种化学策略,如人工界面层[[5], [6], [7], [8], [9]]、合金阳极[[10], [11], [12]]、宿主材料[[13], [14], [15]]以及电解质工程[[16], [17], [18], [19], [20], [21], [22], [23], [24]],以有效提升AZMBs的循环寿命和稳定性。然而,这些策略往往会导致电极厚度增加、非活性材料使用过多、N/P比过高以及放电深度(DOD)过低,这些因素会降低全电池的能量密度,因此需要新的策略来平衡长期稳定性和高能量输出。
无阳极电池是一种在充放电循环过程中活性材料由电解质原位形成的系统,而不是依赖于预先制备的活性材料。无阳极电池系统具有高能量密度、减少枝晶形成以及减轻重量和成本的优点。当前的研究集中在锂基和钠基无阳极电池的添加剂工程、界面工程和电解质工程上[[25], [26], [27], [28], [29], [30], [31], [32]]。特别是无阳极锌金属电池(AFZMBs)是指在组装过程中不使用任何预先沉积的金属锌或厚锌箔的电池配置。因此,所有的锌活性材料都来自正极和/或电解质,并可逆地沉积在裸露的集流体(通常是铜箔)上并剥离。最近的研究朝着高能量密度的AFZMBs方向发展,消除了多余的锌和锌沉积层。在这一系统中,界面工程的进步实现了锌的有序成核、抑制枝晶生长以及减少HER和腐蚀等副反应,从而在锌含量较低的情况下实现了更稳定的锌沉积/剥离行为[33]。
尽管AFZMBs显示出巨大潜力,但其发展仍处于早期阶段,因为它们尚未达到传统AZMBs的库仑效率和循环稳定性。此外,界面化学、锌脱溶和离子传输之间的相互作用复杂且尚未完全理解。本综述从基础电化学角度深入分析了AFZMBs。首先,我们将探讨AFZMBs背后的电化学原理,重点关注无阳极系统的作用。随后,我们将深入研究与AFZMBs相关的关键挑战,如锌沉积问题和电极/电解质界面的不稳定性。最后,我们将总结克服这些挑战的新兴策略,特别强调先进阳极设计和电解质工程的发展。最后,我们将确定推动AFZMB技术向高能量密度和强循环稳定性实际应用方向发展的关键研究方向和潜在解决方案。

部分摘录

AFZMBs的基础

最常见的锌电池类型是AZMBs,它由锌金属阳极、Zn²⁺导电电解质、正极(如锰氧化物或钒氧化物、普鲁士蓝类似物)以及正极集流体组成(图1a)。在充电过程中,Zn²⁺沉积在阳极上;放电过程中,Zn²⁺又重新嵌入正极(图1d)。为了减少锌金属电池的副反应,人们开发了“摇椅式”锌离子电池结构。

集流体改性

与传统电池不同,无阳极配置消除了多余的金属,简化了电池设计并提高了能量密度。然而,仍存在枝晶形成、库仑效率低和循环稳定性差等挑战[34,35,64]。本研究将讨论两种实现高能量密度和长循环寿命AFZMBs的主要策略(图3)。首先,这些挑战的核心在于集流体,因为它直接作为锌沉积的基底。

总结与展望

本综述系统地评估了无阳极水基锌金属电池(AFZMBs)的最新进展,将现有策略分为两个主要设计方向:集流体改性和电解质/界面调节(见表3)。AFZMBs去除了多余的锌沉积层,从而将能量密度与过量活性材料分离,但这也放大了界面不稳定性、锌沉积层隔离和副反应对库仑效率的影响。

作者贡献声明

朴惠琳:撰写 - 审稿与编辑、撰写 - 原稿撰写、数据整理、概念构思、资源收集、可视化。姜眞淑:撰写 - 审稿与编辑、撰写 - 原稿撰写、数据整理、概念构思、资源收集、可视化。孟培迅:撰写 - 原稿撰写、概念构思。傅浩:撰写 - 原稿撰写、审稿与编辑。黄胜阳:撰写 - 原稿撰写。朴 chan sol:撰写 - 原稿撰写。金贤哲:撰写 - 原稿撰写。

CRediT作者贡献声明

朴惠琳:撰写 – 审稿与编辑、撰写 – 原稿撰写、可视化、概念构思。姜眞淑:撰写 – 审稿与编辑、撰写 – 原稿撰写、可视化、概念构思。孟培迅:撰写 – 审稿与编辑、撰写 – 原稿撰写。傅浩:撰写 – 审稿与编辑、撰写 – 原稿撰写。黄胜阳:撰写 – 审稿与编辑、撰写 – 原稿撰写。朴 chan sol:撰写 – 原稿撰写。金贤哲:撰写 – 原稿撰写。王尚博:

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