01关于这篇文章

文章题目：

On Energy Storage Chemistry of Aqueous Zn-Ion Batteries: From Cathode to Anode

作者：

Xiujuan Chen¹（陈秀娟）, Wei Li¹（李伟）, David Reed², Xiaolin Li^2*, Xingbo Liu^1*（刘兴博）

作者单位：

¹West Virginia University (USA); 

²Pacific Northwest National Laboratory (USA)

引用信息：

Electrochem. Energy Rev. 2023, 6(4), 33.

DOI：

https://doi.org/10.1007/s41918-023-00194-6

全文链接：

https://link.springer.com/content/pdf/10.1007/s41918-023-00194-6.pdf

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02 图文摘要

03目录简介

04综述亮点

1.全面综述了水系锌离子电池正极和负极材料、能量存储机理以及性能提升策略。

2.基于对目前各种正极能量存储机理的深入理解，重点探讨了机理验证中存在的不足以及实验结果与设想机理之间的矛盾。

3.系统综述了用于机理研究和改进策略有效性验证的各种先进表征技术和理论计算方法。

4.总结并展望了水系锌离子电池面临的技术挑战和未来研究方向。

05图文导读

1. 前言

可充电水系锌离子电池（ZIBs）具有诸多优点，如低成本、原料丰富、安全性高、环境友好以及可接受的能量密度等（图1a、b），因此在大规模电网储能和便携式电子设备等领域具有广阔的应用前景。近年来，水系锌离子电池的研究取得了一定进展，但仍无法满足实际应用的要求。正极活性材料的溶解和结构不稳定，以及锌负极的枝晶、腐蚀和表面钝化等问题都可能导致电池容量衰减和循环寿命降低，严重制约了水系锌离子电池的商业化进程。因此，对锌离子电池从正极到负极的能量存储化学进行系统回顾，显得非常必要。

图1 各种单价/多价金属离子在 a 理论容量、离子半径和 b 标准电位方面的比较(Copyright ©2018, John Wiley & Sons)；c 水系锌离子电池的结构示意图（Copyright © 2019，Elsevier）；d 锌离子电池代表性正极材料的平均工作电压和比容量（Copyright © 2019，Royal Society of Chemistry）

目前，已有一些综述对水系锌离子电池的研究进展进行了概述，包括正极、负极、电解液、储能机制、改性策略等各个方面。然而，这些综述多是简单总结各个主题，缺乏深入的讨论和分析。例如，在对正极材料的综述中，往往忽视了一些关键点，如正极材料测试和评估方案的可靠性，性能增强策略的模糊验证，以及某些改性思路在实际应用中的局限性等。类似的不足也存在于电荷存储机理的综述中，缺乏对机理演变的深入探讨。目前，中性或弱酸性水系可充电锌离子电池的储能机制仍存在争议，这也是阻碍锌离子电池发展的主要挑战之一。许多机理解释在单独验证时可能是有效的，但却与相似体系得出的机理相互矛盾。这种差异可能是由于过度依赖单一表征结果所致。此外，一些文章过于简化对前人研究结论的理解，将所报道的观点机械地套用于新的电极体系中，并将电化学性能的差异笼统地归因于活性材料的结构、形貌等方面的差异，这进一步加剧了机理的不确定性。深入了解能量存储机制对于实现突破水系锌离子电池技术进展至关重要。因此，迫切需要对当前水系锌离子电池的各种能量存储机理进行严格梳理，及时发现机理研究的不足和挑战，以此为后续锌离子能量存储化学研究提供新的视角和思路。此外，在最近的水系锌离子电池综述中，先进的表征技术往往被忽视，然而这些技术对于探索机理至关重要。

基于此，本文对水系锌离子电池从正极到负极的能量存储化学进行了及时、全面、深入的回顾（图2）。首先，本文重点关注正极的各种储能机理。特别注意的是，本文对机理验证中存在的模糊性、实验结果与提出的机理之间的矛盾、以及不同研究中对同一机理解释的不一致性等问题进行深入分析。接着，本文从结构特点、电化学性质、现有不足以及性能改进策略等方面入手，综述了水系锌离子电池正极材料的进展。除了正极储能化学，本综述还重点介绍了锌金属以及非锌金属负极的储能化学。此外，本文还回顾了用于水系锌离子电池研究的各种先进表征技术和理论计算方法。最后，对于进一步发展水系锌离子电池所面临的挑战进行重点讨论，涵盖了有关储能机理的争议、能量密度不足、电化学测量协议的标准缺失以及学术研究与工业需求之间的差距等。本综述强调了将可靠的电化学测试与先进的表征技术和理论计算相结合，探索复杂的电化学反应机理和改进策略的增强机制。希望本综述可以作为理解水系锌离子电池从正极到负极的储能机理的关键指南，同时为进一步推动机理研究和性能提升提供一定的参考和借鉴。

图2 本综述涵盖的主要内容。Copyright © 2016, Springer Nature；Copyright © 2016, Springer Nature；Copyright © 2018, American Chemical Society；Copyright © 2019, John Wiley & Sons；Copyright © 2019, John Wiley & Sons；Copyright © 2019, Royal Society of Chemistry；Copyright © 2018, American Chemical Society；Copyright © 2021, John Wiley & Sons

2. 水系ZIBs正极化学

2.1 正极储能机制

目前水性锌离子电池正极的储电机制包括Zn²⁺嵌入机制，化学转化反应，H⁺/Zn²⁺共嵌入机制，离子嵌入和化学转化反应共主导机制，配位机制以及溶解/沉积机制等。目前水系锌离子电池的储能机理仍然存在争议。本文在全面回顾以上报道的储能机制的基础上，深入探讨了当前机制研究中存在的有争议的问题，主要表现在以下几个方面：

i）在机理研究的早期阶段，Zn²⁺嵌入被认为是水系锌离子电池中锰氧化物正极放电过程的主导机制。然而，关于Zn²⁺嵌入能否完全解释电池中发生的所有电化学行为仍存在争议。例如，Zn²⁺嵌入机理可以解释放电过程中形成的ZnMn₂O₄或其他Zn插层锰氧化物。但它无法解释在Zn/MnO₂电池体系中检测到的MnOOH和无锰的层状的碱式硫酸锌 (ZHS)。

ii）H⁺嵌入或者MnO₂与H⁺之间的化学转化也被报道是Zn-MnO₂电池的主要储能机制。尽管这种机制可以解释放电过程中形成的ZHS和MnOOH相，以及电解液pH值的变化。但它无法解释放电过程中生成Zn插层锰氧化物的现象。

iii）关于MnO₂正极中的H⁺插入机制是否引起MnO₂相变也存在争议。一种广泛报道的观点认为，H⁺插入（也称为化学转化反应）会导致MnO₂到MOOH的相变，并伴随着ZHS生成。另一种观点则认为，H⁺插入引起的是MnO₂晶格的膨胀，而非相变。

iv）许多研究混淆了放电产物如锌锰氧化物（例如，zinc buserite和zinc birnessite）和副反应产物如无锰ZHS。这些产物具有相似的层状结构以及高度重叠的XRD谱图，因此难以通过单一的表征方法进行区分。在早期的H⁺或Zn²⁺嵌入机理研究阶段，对这些产物的错误鉴定导致对储能机制的误导性解释。

v）在关于H⁺/Zn²⁺共嵌入机制的各种观点中，普遍认为H⁺嵌入发生在较高电压放电平台（DP1），随后在较低电压放电平台（DP2）发生Zn²⁺嵌入。这种机制似乎可以解释放电过程中MnOOH、ZHS和Zn嵌入锰氧化物相的形成，以及DP1相较于DP2较大的离子扩散系数。然而，一些先前的研究观察到在DP1阶段生成了锌嵌入锰氧化物相，而在DP2发现了MnOOH和ZHS，这与该机制所认为的产物形成顺序相矛盾。此外，根据这个机制，H⁺插入反应贡献了DP1阶段的整个放电容量，并引起电解液pH值的变化。然而，根据我们之前的计算结果，与DP1的放电容量相对应的电解液pH值的增加远超过了引发ZHS沉淀的阈值，这意味着DP1阶段应该观察到ZHS副产物以及高电解液pH值。然而，一些研究表明在DP1阶段电解液pH值轻微增加，并未观察到ZHS相的生成。这些实验结果与所提出的反应机制之间存在的不一致，引发了对该机制准确性的质疑。

vi）随着对储能机理的深入研究，研究人员发现ZHS在水系锌离子电池的能量存储中扮演着重要角色。自上世纪80年代首次被检测到，到2012年左右水系锌离子电池的复兴，ZHS通常被认为是由于电解液中H⁺消耗导致的电极表面局部OH⁻聚集形成的副产物。ZHS的可逆生成/分解使其被视为pH缓冲剂，维持适于H⁺嵌入的微酸性电解液环境。近期的研究表明，在放电过程中生成的ZHS能够与电解液中的Mn²⁺反应，并以含锌的MnO_x的形式沉积在正极表面，从而为锰基正极提供额外的活性材料。因此，ZHS被认为是贡献容量的活性相。除了其积极影响外，ZHS还存在一些负面影响。正极表面上积聚的ZHS增加了正极阻抗，阻碍了电极/电解液界面的离子传输，对电池的循环稳定性产生影响。同时，ZHS沉淀物从电极表面脱落也加剧了电极/电解液界面的不可逆性。此外，大量的ZHS沉淀物的形成和分解引起的体积变化对水系锌离子的实际应用构成挑战。

2.2 典型正极材料

开发高能量、高功率密度和循环稳定性的正极材料仍然是推动高性能水系锌离子电池发展的主要挑战之一。近年来，锌金属正极材料的研究重点放在锰基氧化物、钒基氧化物、普鲁士蓝类化合物（PBAs）、聚阴离子化合物、有机化合物和过渡金属硫化物等有潜力的正极候选材料（图1d）。本文全面综述了水性锌离子电池正极材料的研究进展，包括这些材料的基本特征、当前面临的挑战以及实现高性能正极的改进策略。

在各种正极候选材料中，锰氧化物表现出高放电容量和工作电压（1.2~1.4 V），因此具备可观的能量密度。然而，锰氧化物正极在充放电过程中面临着严重的Mn溶解问题，这影响了其循环稳定性。为了抑制锰氧化物的溶解，使用含有Mn²⁺添加剂的电解液被广泛采用。此外，深入了解锰氧化物正极的储能机制是一个主要挑战。钒基正极材料通常具有稳定的层状结构，有利于锌离子的快速扩散，从而赋予钒基正极材料出色的倍率性能和循环寿命。然而，钒基正极的较低工作电压（0.6~0.9 V）严重限制了其实现高能量密度正极的潜力。因此，提高钒基正极的工作电压成为未来研究的关键。相比于锰和钒基正极，PBAs能够实现高工作电压（1.5~1.8 V）。然而，PBAs通常具有较低的比容量（低于200 mAh g⁻¹）和较差的循环性能。通过合理的结构设计，引入更多的锌离子储存位点或多重氧化还原对，以增加其放电容量，有望实现高能量密度PBAs正极。有机正极通常具有较高的放电容量和适中的工作电压（1.0~1.3 V），具备实现高能量密度的潜力。然而，有机化合物正极同时也面临活性材料溶解和电子导电性低的问题，解决这些关键问题对于提升有机正极的循环稳定性至关重要。目前，水性锌离子电池中的有机正极材料的研究仍处于初级阶段。

过渡金属硫属化合物（TMCs）具有类似石墨的分层结构，相邻层通过弱的范德华相互作用连接。这种结构赋予TMCs材料可逆插层/脱层阳离子的潜力，因此它们被视为水系锌离子电池的正极候选材料。VS₂是TMCs家族的典型代表之一，其层间距为5.76 Å，具有金属特性，确保了高电导率，使其成为适合储存Zn²⁺的正极材料。然而，由于其容量较低和工作电压较低（0.6~0.9 V），钒硫化物的能量密度受到限制。相比之下，VSe₂具有更大的Zn存储潜力，因为它具有更高的电子导电性、更大的层间距（6.10 Å）以及由于Se的较小电负性而导致的较低离子迁移能垒。Liu等人评估了各种商用硫化物（MoS₂、WS₂和MnS）和硼化物（TiB₂和ZrB₂）在水系锌离子电池中的电化学性能。

3. 水性ZIBs负极化学

3.1 锌金属负极面临的挑战及优化策略

最近的研究发现，锌金属负极在温和的水性电解液中仍存在稳定性不足的问题，严重阻碍了水系锌离子电池的实际应用。锌负极的稳定性主要受枝晶生长、析氢、腐蚀和表面钝化等问题的困扰（图3）。这些问题相互关联，相互加剧，导致锌负极性能在循环过程中迅速恶化，缩短电池寿命。锌枝晶的生长加剧了电极表面的腐蚀和析氢反应。持续的析氢反应消耗了H⁺，促进了电极表面钝化物的形成，阻碍了均匀的界面离子传输。这又进一步加剧了电极表面的枝晶生长。此外，电极/电解液界面的析氢反应和钝化产物形成不断消耗电解液，最终导致电池失效。因此，迫切需要提高锌负极的稳定性。改善锌负极稳定性的主要策略集中在界面改性、诱导锌沉积以及调节Zn²⁺的溶剂化结构等方面。

图3 a 锌离子电沉积过程示意图（Copyright © 2022，John Wiley & Sons）；b 锌成核过程中的自由能示意图；c 恒电流电镀锌的典型电压曲线（Copyright © 2020，John Wiley & Sons）；模拟不同条件下的 d 电场分布和 e 电极表面周围的锌离子浓度场分布（Copyright © 2019，John Wiley & Sons）；f 裸锌和改性锌阳极表面的的电双层结构（Copyright © 2020，Royal Society of Chemistry）；g 锌–水体系的Pourbaix图（Copyright © 2020，American Chemical Society）；h 包含析氢过电位变化的锌–水体系的Pourbaix图（Copyright © 1991，Elsevier）；i 水系锌阳极面临的枝晶生长及界面副反应

3.2 开发无锌金属负极（无负极和 “摇椅式”ZIBs）

目前，ZIBs锌负极面临的另一个重要问题是使用远过量的锌。一些改善锌负极稳定性的研究仍然依赖于使用过量的锌金属。然而，在实际应用中，需要考虑高能量密度和成本效益的要求，因此必须提高锌的利用率。采用无金属锌负极是一个新的思路，可以潜在地提高ZIBs的整体能量密度，同时最小化电池的体积和重量。本文从两个方面讨论了无金属锌离子电池的概念：无负极ZIBs和“摇椅式”ZIBs（图4）。尽管无负极ZIBs在能量密度方面具有潜在的优势，但由于原位形成的Zn金属负极与电解质之间不可避免的副反应，电池容量迅速衰减以及库伦效率降低。无负极ZIBs的优化可以借鉴当前对锌金属负极的保护策略。另外，虽然“摇椅式”ZIBs的无金属锌负极规避了锌金属负极常见的枝晶、腐蚀和析氢困扰，但筛选开发合适的非金属锌负极材料是目前阻碍“摇椅式”ZIBs发展的重大挑战。此外，较低的实际容量和能量密度也是“摇椅式”ZIBs发展面临的关键问题。

图4 a 标准电池和无负极电池的示意图；由预锌化的MnO₂正极和C/Cu负极集流体组成的无负极Zn-MnO₂电池在 b 完全放电状态和 c 充电状态下的示意图；d 无负极电池和标准电池的能量密度对比图（Copyright © 2021, American Chemical Society）；e 无锌金属的“摇椅式”ZIBs示意图（Copyright © 2021, John Wiley & Sons）；f 9,10-AQ/ZnMn₂O₄锌离子电池的工作机制示意图；g Zn金属负极的循环伏安曲线以及9,10-AQ//Zn和Zn/ZnMn₂O₄的半电池伏安曲线（Copyright © 2019, Elsevier）

4. 先进的表征技术研究ZIBs正负极

4.1 充放电过程中的电极材料结构演变

原位XRD是监测电池运行过程中电极材料结构演变的重要工具，已被广泛应用于研究锌离子电池中正极材料的储能机制。然而，需要注意的是，原位XRD主要用于晶体相材料的表征，其对于放电/充电过程中产生的亚稳相的检测存在局限性。由于亚稳相的结晶性较差，衍射信号较弱，在实验室级别的X射线衍射仪上很难区分。相比之下，拉曼光谱是一种更敏感的技术，可用于研究无定形材料的局部分子和晶体结构变化。因此，在研究放电/充电过程中电极材料的相和结构演变时，原位XRD通常与原位拉曼光谱结合应用。原位XRD分析提供了有关晶体结构演化的信息，而原位拉曼光谱用于检测局部结构和氧化态的变化。

4.2 界面研究

X射线吸收光谱（XAS）技术是探索材料的局部原子和电子结构的重要分析工具。根据X射线吸收能量，可以将其分为XANES和EXAFS。XANES对氧化态和局部原子环境敏感，而EXAFS可以准确反映吸附原子周围的局部结构信息，包括键长、配位数和结构有序度。鉴于XAS在探测结构信息方面的优势，该技术被广泛应用于锌离子电池电极材料储能机理的研究。例如使用XAS研究MnVO@C电极材料中Mn在放电/充电过程中的价态演变。

电子顺磁共振（EPR）是一种非破坏性、高灵敏度的分析技术，用于表征顺磁物种。在钒的各种氧化态中，V(V)是反磁性的，V(IV)是顺磁性的，而V(III)在常规条件下由于整数自旋数和大的零场分裂的共存而在EPR中不活跃，除非使用高频EPR。鉴于这些事实，EPR经常用于表征锌离子电池中钒基正极材料中的钒的价态。此外，EPR是分析电极材料中空位或缺陷存在的有效工具。

X射线显微镜（XRT和TXM）技术通过检测穿过样品的X射线来获得放大的图像。XRT的非破坏性特性使其具备进行原位表征的优势。由于XRT能够提供有关位置、动力学和微观结构的信息，可以实现对电化学反应过程中多尺度电极微结构的三维成像。最近，原位XRT被用于研究不同电化学条件下的锌沉积/溶解过程。同步辐射X射线断层扫描成像技术（SXCT）作为一种高空间和时间分辨率的强大工具也成功应用于研究锌枝晶的形成、溶解和再生。

4.3 溶剂化结构的表征

NMR技术是研究电解液溶剂化结构的重要分析工具，被广泛应用于锌离子电池的电解液改性研究。需要注意的是，深入分析电解液各个组分之间的相互作用通常需要结合多种表征技术，如拉曼光谱、红外光谱和NMR等。此外，UV-vis光谱也被用于验证Zn²⁺与添加剂分子之间的配位作用。

4.4 可视化监测技术

先进的可视化技术对于监测电池的充放电过程中结构/形貌演变至关重要。在当前对ZIBs的研究中，先进的可视化表征对于研究与负极相关的反应尤为重要。在各种可视化技术中，原位光学显微镜具有高度灵活和低成本的特点，可用于实时监测锌电镀/剥离过程中锌负极/电解液界面上的动态变化，例如锌沉积、枝晶生长和气体生成（图5）。除此之外，原位原子力显微镜（AFM）也被用作实时追踪电极表面结构演变的有效工具，可以提供有关界面反应过程的信息，如形貌演化，枝晶生长以及微观力学性质等。

图5 a 碳纸上Zn电沉积分布的原位光学显微镜图像（Copyright © 2021，American Chemical Society）；使用原位光学显微镜观察在 b 裸锌表面和 c 3-氨丙基三乙氧基硅烷涂层覆盖的锌表面的Zn沉积（Copyright © 2021，American Chemical Society）；Zn-Mn合金基板在 d Zn电沉积前和 e Zn电沉积后，以及 f 由 (e−d)/d = (∆I/I) 计算得到的结果的三维光学显微镜图像（Copyright © 2021，Springer Nature）；原位光学显微镜观察在 g Zn(TFSI)₂和 h 基于低共熔溶剂的Zn(TFSI)₂电解液中的Zn沉积过程（Copyright © 2021，Springer Nature）

4.5 监测循环过程中的析氢反应

析氢反应是水系锌离子电池电极/电解液界面处发生的重要副反应之一，因此也是评估锌电极或者电解液改性的重要指标。原位微分电化学质谱仪（DEMS）可对电池充放电过程中产生的气体进行在线定量分析，被认为是表征锌电镀过程中竞争性析氢反应最有效分析工具之一。其次，析氢反应会增加电池的内部压力，从而导致电池内部逐渐膨胀。由此，可以通过比较循环前后电池的体积膨胀来简易评估析氢反应。此外，研究报道对称电池中锌电镀过程析出的氢气还可以通过在线连接气相色谱仪（GC）进行监测。

4.6 理论计算

理论计算可以提供对离子迁移动力学以及电解液与电极材料之间在原子尺度的相互作用的理解。通过理论计算可以模拟电流密度、过电位、电场分布以及离子/电子传输等多种因素。一些常见的理论计算和模拟方法已被广泛应用于ZIBs的研究，包括密度泛函理论，分子动力学模拟和有限元模拟。

05 挑战与展望

本文就锌离子电池未来发展的挑战和潜在方向提出坦率的观点，重点关注以下几个方面: 1）争议的储能机理；2）对电解液相容性的深入理解；3）开发具有高效离子传输的正极材料；4）锌负极保护；5）开发多功能隔膜和集流器；6）发掘新的储锌化学；7）电化学测试协议的标准化；8）结合先进的表征技术与理论计算；9）学术研究与工业生产之间差距（图6）。以下将简要讨论。

图6 水系可充电锌离子电池的展望

（1）结合先进的表征技术与理论计算。缺乏先进的表征和分析技术，特别是原位/实时表征方法，是导致对放电产物和局部环境变化不确定性的重要原因，这阻碍了对电化学反应机制的深入理解。传统的非原位表征手段，如基于拆解后电池组件的测试方法，只能检测电池在放电前后的状态，无法实时动态地监测充放电过程。此外，传统的非原位表征方法在实际操作中可能引入未知的干扰因素。相比之下，原位表征技术具有动态、实时和直观的优点，可以准确反映电池内部在实际工作状态下发生的价态、相态和结构变化。考虑到电池反应的复杂性，强烈建议结合多种先进表征技术，以多维度观察水系锌离子电池材料和储能机理的深入研究。将理论计算与先进的表征技术相结合对于水性锌离子电池的深入研究至关重要。理论计算可以提供关于离子迁移动力学以及电解液与电极材料之间原子尺度相互作用的理解。通过理论计算，可以模拟电流密度、过电位、电场分布和离子/电子传输等多种因素。建立更精确的计算模型将为优化电极设计和探索新材料提供原子和分子水平上的理论指导。

（2）电化学测试协议的标准化。考虑到水性锌离子电池的潜在应用，建立高效且可靠的电化学性能评估测试协议变得尤为重要。然而，目前锌离子电池研究领域缺乏严格的电化学性能测量协议，这对于开发可商业化的高性能水性锌离子电池构成了障碍。

电池的长期循环稳定性是确保电网可靠性和恢复能力的重要指标。然而，许多水性锌离子电池的研究仅关注高电流密度下的循环性能，而忽视了低电流密度下循环寿命差的问题。这种测试协议可能产生误导，即认为电池在高电流密度下表现出色即可保证其在低电流密度下的稳定性，换句话说，高速率性能可以提供正极材料储存Zn²⁺能力的可靠证据。然而，高速率下正极材料表现出的长循环寿命和较高容量，尤其是对于纳米结构的正极材料而言，可能主要依赖于电容行为而非真实的Zn²⁺储存。因此，开发稳定的Zn²⁺储存正极材料在较低和中等电流密度下仍然是一项艰巨的挑战，因为在低速率下的深度放电/充电会增加副反应发生的可能性，导致不可逆产物积累和容量衰减。因此，锌离子电池正极材料的循环性能研究应涵盖较宽范围的电流密度。特别是在评估基于离子嵌入和转化反应的正极材料时，应特别关注相对较低电流密度下的性能测试，以避免电容行为的干扰。此外，仅仅在高电流密度下获取自放电数据也可能导致性能评估的偏差。

省略重要的实验细节也可能导致误导，尤其是在一些声称取得重大突破的研究中。例如，一些研究未提供确认电流密度和电极面积所需的基本信息，如电极尺寸和活性材料的负载量。在水系锌离子电池性能评估中，另一个容易被忽视的关键参数是电解液的用量。特别是对于锌–锰氧化物电池，电解液用量可以影响封装电池中发生的许多副反应。受锰溶解问题困扰的锰基正极可以从含有Mn²⁺的电解液中获得额外的容量。除了正极，锌负极的稳定性和可逆性也可能与电解液添加量密切相关。此外，在评估电极性能时，还必须考虑电池的配置模式，例如纽扣电池、液流电池或三电极设置。

（3）学术研究与工业生产需求之间的鸿沟。水系锌离子电池技术面临的另一个重要挑战是学术研究与实际工业生产需求之间存在差异，主要体现在以下几个方面：

i）性能评估标准不一致。目前大多数关于电极材料或微型器件的研究仅限于实验室条件。一些优异的电化学性能数据主要是基于实验室制备的电池，在理想测试条件下进行评估，例如低单位面积活性材料负载（约2 mg cm⁻²），过量的电解液和过量的锌负极。然而，考虑到工业规模化生产，评估条件必须从各个方面进行考虑，例如活性材料负载量（>10 mg cm⁻²），有限的电解液，优化的负极/正极容量比等。这种测试标准的不一致阻碍了锌离子电池的商业化进程。

ii）忽视关键指标。尽管近年来锌离子电池的研究取得了重大进展，但一些与实际应用和商业化相关的关键性能指标在学术研究中尚未得到充分论证。考虑到大规模储能的实际需求，需要合理评估一些被忽视的指标，包括质量/体积能量密度、热稳定性、制造工艺和规模成本。自放电是电池商业化的另一个重要指标，但在许多当前的研究中被忽视。需要强调的是，如果电池性能仅在高电流密度下评估，自放电行为往往会被掩盖。因此，能够实际应用的电活性材料必须进行多目标优化。此外，目前大部分关于锌离子电池的研究仍基于实验室的纽扣电池，为满足未来市场需求，应开发多种电池形式。

iii）性能最大化的权衡。忽视整体电池概念是学术研究中常见的问题，单个组件的性能优化可能导致其他方面的损失。例如，使用高度多孔和分级结构的电极材料有利于提高电池质量能量密度，但同时也带来了满足体积能量密度要求的挑战。在进行性能改进和基础探索研究时，必须考虑整个电池在实际应用条件下的情况。这一点在处理高质量负载电极材料时尤为重要，商业化的电池通常需要在多个方面具有良好的适用性，这必然会在电池能量/功率密度、寿命、安全性和成本之间进行权衡。

可充电水系锌离子电池在学术研究方面需要努力弥补与工业生产之间的鸿沟，以推动可能的商业化进程。未来的工作预计将侧重于将实验室规模的创新转化为工业生产，并将单一材料/组件级别的性能评估转化为整体设备级别的指标。

06 作者简介

陈秀娟（第一作者），美国西弗吉尼亚大学机械与航空工程系博士后。分别于2017年和2021年获得西弗吉尼亚大学材料学硕士和博士学位。研究方向为锌离子电池、锌空电池、储能材料以及水处理。

李伟（共同第一作者），美国西弗吉尼亚大学机械与航空工程系研究助理教授。2012年获得中国科学院化学研究所材料科学博士学位。研究方向为锂离子电池、锂硫电池、锌空电池、锌离子电池、燃料电池和水电解制氢、热化学循环、二氧化碳捕获和催化转化、异相催化、水处理和气体传感等。

David Reed，美国西北太平洋国家实验室电池材料与系统组的首席材料科学家。获宾夕法尼亚州立大学固态科学硕士学位和密苏里–罗拉大学陶瓷工程博士学位。研究方向为新型电化学能量存储技术。

Xiaolin Li（共同通信作者），美国西北太平洋国家实验室电池开发与可靠性团队的高级科学家和团队负责人。2005年获清华大学化学系博士学位。研究方向为电池材料和可再生能源。

刘兴博（通信作者），美国西弗吉尼亚大学机械与航空工程系教授，西弗吉尼亚大学工程与矿产资源学院研究副院长。1999年获北京科技大学材料学博士学位。主要研究方向为电化学材料和过程在能源转化和储存方面的应用，包括高温电化学、高温合金、固体氧化物燃料电池和电解池、电池以及电化学腐蚀等。

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原稿：作者提供

编辑：全海芹

初审：全海芹、陈昕伊

复审：何晓燕

终审：刘志强