综述：用于水基锌离子电池的先进非晶材料：机理、设计与未来展望

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综述：用于水基锌离子电池的先进非晶材料：机理、设计与未来展望

时间：2026年2月3日

来源：Materials Today

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非晶材料通过独特的结构特性提升锌离子电池性能，解决离子传输缓慢、电极溶解、枝晶生长和副反应问题，在阴极/阳极及界面工程中展现重要应用，但需进一步优化合成方法和结构设计。

作者：全宗|陈凯基|刘雪莲|朱泽杰|白公勋|康巧玲|周双|张启龙|魏国英|潘安强

中国吉利学院材料与化学学院，浙江省杭州市310018

摘要

水系锌离子电池（ZIBs）由于其固有的安全性、成本效益和环保性，已成为大规模储能的有希望的候选者。尽管具有这些优势，但其实际应用仍受到离子传输动力学缓慢、正极溶解、锌枝晶生长和界面副反应的阻碍。近年来，非晶材料因其独特的物理化学特性（如结构各向同性、丰富的未饱和配位位点以及优异的机械适应性）而受到广泛关注，这些特性与晶体材料不同。本文全面讨论了非晶相的基本结构-性能关系，以及它们在促进离子扩散、适应结构变形和稳定电极/电解质界面方面的作用。系统总结了非晶材料在正极和锌负极中的合理合成、结构设计和功能整合方面的最新进展。此外，还深入分析了原子无序性、电化学性能和储电机制之间的关联。最后，提出了非晶材料面临的关键挑战和未来发展方向，为高性能和耐用的水系ZIBs的非晶材料合理设计提供了深入见解，以及其在下一代可充电电池中的更广泛应用。

引言

随着风能、潮汐能和太阳能等可再生能源技术的快速发展，它们对全球能源格局的贡献显著增加。然而，这些资源受到地理分布和气候变化的限制，导致空间异质性、时间间歇性和运行复杂性[1]、[2]。为了确保电网稳定并满足波动的负荷需求，包括锂离子电池（LIBs）、钠离子电池（SIBs）和超级电容器在内的先进电化学储能系统的部署变得不可或缺[3]、[4]、[5]。这些设备作为关键的缓冲器，调节和优化了发电与消费之间的能量流动，从而减轻输出波动，弥合时空不匹配，最终提高可靠性[6]、[7]。然而，传统的LIBs仍面临重大挑战，包括易燃的有机电解质和不可控制的锂枝晶形成，这在高电压或极端运行条件下尤其危险[8]、[9]、[10]。此外，锂资源的高成本限制了LIBs在大规模储能中的应用[11]、[12]。这些限制促使人们密集研究结合安全性、可持续性和高性能的替代储能技术[13]、[14]、[15]、[16]。其中，水系锌离子电池（ZIBs）因其固有的安全性、环保性、低成本以及锌金属的高理论容量（820 mAh g⁻¹，5855 mAh cm⁻³）[17]、[18]、[19]而成为有希望的候选者。

尽管具有这些优势，水系ZIBs的实际应用仍受到正极和负极方面几个关键挑战的阻碍。在正极方面，常用的正极材料包括钒基化合物、锰氧化物、普鲁士蓝类似物和有机化合物[20]、[21]、[22]、[23]、[24]。这些正极材料通常由于[Zn(H₂O)₆]²⁺在水合状态下的高脱溶剂化能量以及Zn²⁺与基体材料之间的强相互作用而具有缓慢的扩散动力学[25]、[26]、[27]。反复的Zn²⁺插入和提取会导致晶格周期性膨胀/收缩，从而引起基体框架的结构畸变、体积波动和结构粉碎[28]、[29]、[30]。此外，水系电解质的强极性会侵蚀V基和Mn基正极，特别是在弱酸性电解质下加速活性材料的溶解[31]、[32]、[33]。在正极/电解质界面发生的副反应包括质子共插入和副产物的表面钝化，进一步阻碍了可逆容量和库仑效率[34]、[35]。在负极方面，Zn负极/电解质界面处不均匀的Zn²⁺通量和电场分布会导致Zn枝晶的非均匀成核和各向异性生长，这可能会穿透隔膜并引起内部短路[36]、[37]。同时，水分子的高活性促进了包括氢气释放和锌腐蚀在内的副反应[38]、[39]、[40]。这些副反应不仅产生了阻碍离子传输的绝缘副产物，还加剧了局部pH梯度，进一步降低了锌沉积/剥离的稳定性和可逆性。

近年来，非晶材料由于其独特的结构特性而成为克服水系ZIBs内在局限性的重要材料平台，如图1所示。与晶体材料不同，非晶材料缺乏长程有序性，表现出短程原子排列和丰富的结构无序[41]、[42]。这些内在特性为ZIBs提供了几个优势：(i) 各向同性的离子扩散通道，使得Zn²⁺的快速和可逆传输成为可能；(ii) 丰富的未饱和配位环境和内在缺陷，可作为可访问的氧化还原活性位点；(iii) 优异的结构灵活性，有效缓冲了反复Zn²⁺插入/提取引起的严重局部应变，从而提高了循环稳定性[43]、[44]、[45]。此外，没有晶界可以抑制裂纹扩展，并在长时间循环过程中减轻活性材料的溶解或粉碎。非晶材料在水系ZIBs的正极和负极中展示了有希望的应用。对于正极，代表性的非晶钒基和锰基化合物与晶体类似物相比，表现出更高的容量和倍率性能，这归因于它们加速的Zn²⁺插层动力学和增强的结构完整性。例如，Niu等人展示了2020年发表的分布在碳框架中的非晶V₂O₅，表现出快速传输、高容量和创纪录的循环性能[46]。此后，构建了许多非晶正极以提高锌存储性能。在负极方面，非晶涂层和非晶固体电解质界面（如非晶氮化硅、非晶富氮SEI）在调节界面化学、均匀Zn²⁺通量、抑制枝晶生长和减轻副反应方面被证明非常有效[47]、[48]。

尽管该领域的实验报告增长迅速，但现有的关于储能非晶材料的综述文章采取了广泛且非具体的视角，主要关注通用合成策略、结构特征或在不同电化学系统中的正极应用[49]、[50]、[51]、[52]。一些研究人员还概述了其他基于非晶的混合材料的发展，包括基本特性、合成方法及其在电催化、电池、超级电容器、力学、光电子学和热电学中的多样化应用，而不是与水系Zn²⁺存储相关的独特电化学挑战[53]、[54]、[55]、[56]、[57]。特别是，非晶界面架构已成为提高Zn²⁺存储动力学、抑制副反应和稳定电极/电解质界面的Zn负极的强大解决方案。然而，一个综合框架，将这些进展整合到水系ZIBs的正极、锌负极和界面中仍然缺乏，这突显了本综述的重要性和紧迫性。在本综述中，我们全面总结了具有可定制无序结构的高级非晶材料在水系ZIBs中的应用进展，如图2所示。首先，我们阐明了非晶相的固有结构和电化学优势。接下来，我们对最先进的非晶正极、负极和界面架构进行了分类和分析，强调了它们的设计原理、储能机制和性能指标。最后，我们讨论了当前挑战并提出了未来发展方向，以激发非晶材料的高性能ZIBs的合理开发。

非晶材料的结构特性和优势

非晶材料的特点是短程有序、中等范围的部分有序和长程无序，其结构特征与晶体材料不同。非晶材料中存在多种原子键合相互作用，包括共价键、金属键、离子键和配位键[58]。这些结构特性赋予了各向同性特性和灵活的框架，能够缓冲局部应变，适应配位变化，并促进...

合成方法

在过去几十年中，已经开发了多种合成技术来制备这些非晶相。在本节中，我们对几种代表性的制备策略进行了分类和回顾，包括湿化学方法、热处理和电化学方法。

用于正极的非晶材料

由于低成本、高容量和多种多态性，基于锰的材料和基于钒的材料是最广泛研究的正极材料[104]。在本节中，我们将详细讨论各种非晶锰基材料和基于钒的材料。

用于锌负极的非晶材料

在锌负极上进行Zn²⁺沉积/剥离时，不均匀的离子通量会在Zn²⁺浓度较高的区域引发优先成核，从而促进表面突起的沉积并加速枝晶生长[146]、[147]。同时，电解质的微酸性环境会在循环过程中增加局部pH值，从而触发氢气释放反应（HER）和腐蚀[148]、[149]。这些副反应导致电解质过度消耗...

总结与展望

非晶材料由于其独特的无序原子结构、各向同性的离子扩散路径、可调的电子性质和优异的结构灵活性，已成为水系ZIBs的有希望的候选者。这些特性使它们能够克服水系ZIBs中的关键限制，包括缓慢的动力学、较差的结构稳定性、枝晶生长和不可逆的副反应。正如本文所回顾的，非晶正极材料表现出增强的锌...

CRediT作者贡献声明

全宗：撰写——原始草稿，研究，资金获取。陈凯基：撰写——原始草稿，研究，数据管理。刘雪莲：撰写——原始草稿，研究。朱泽杰：指导。白公勋：资源提供。康巧玲：软件支持。周双：资源提供。张启龙：资源提供。魏国英：资源提供。潘安强：撰写——审稿与编辑，指导。