十篇经典综述，带你了解水系电池全貌

Alisa 5年前 (2019-09-27) 24057浏览

水系电池是指以水为电解液的二次电池。相较于有机物电解液电池，水系电池具有安全性高、环境友好、离子导电率高等优点，因此在未来的大规模电能储存中，水系电池具有更大的应用前景。目前水系电池主要受到窗口电压窄、电极发生副反应，循环稳定性差等缺点的限制，为了攻克这些瓶颈，近年来研究者们开发出了水系混合金属电池、单金属电池（钠、锂、锌电池等），并对它们的正、负极材料、电解液、储能机制进行了大量研究。本文选取十篇经典综述，从不同视角介绍水系电池领域的研究进展，以期呈现水系电池的发展全貌，希望大家有所收获。

一、水系锂电池

High-Energy Aqueous Lithium Batteries¹

这篇综述由美国纳米协会主席Ali Eftekhari执笔，该文回顾了水系锂电池的三个发展阶段：从1994年被Dahn提出，到本世纪初的研究热潮，最后是近几年的新突破。虽然它目前仍不能从商业上取代有机系锂电池，但最新的研究发现已为研发高能量密度、低廉的水系锂电池打开大门。该文分析了水系锂电池发展的最大瓶颈——电压窗口窄，评述了本领域的背景、有关电解液的经典观点、几种新兴的高电压电解质以及电极结构的影响，并且介绍了水系锂空气电池和锂硫电池的最新研究。作者最后指出水系电池的几个研究方向，相信这篇文章能给研究水系锂电池的同学带来清晰认识。

Recent Progress in Aqueous Lithium-Ion Batteries²

图一

左：在1 M Li₂SO₄中，理论析氢析氧电位和PH值的关系右：几种电极材料的Li⁺嵌入电压

以科学理论作为实践的指导，方可事半功倍，这则文献首先从理论原则上阐明，如何选择正负极材料才能构建出具有宽电压窗口的水系锂电池——阳极锂离子接受电位尽可能高；锂源阴极电位尽可能低。文章围绕这一原则，总结了近些年在探索理想正极、负极和正负极电池系统方面的成果，把这些典型电极材料的发展历程、电化学性质呈现在读者面前。文章最后指出水系锂电池所面临的四大问题：电极材料和水/空气的副反应；电极材料的溶解；电极材料析氢、析氧反应；质子嵌入正极材料，并就解决方案给出了作者的看法。

二、水系钠电池

Progress in Aqueous Rechargeable Sodium-Ion Batteries³

图二各能量储存系统的能量密度（ASIBs——水系钠离子电池）

钠具有类似于锂的电化学性质，并且其储量丰富，这使得它可能应用到高效、低价的储能系统中。近年来对水系钠离子电池的研究增多，这篇综述围绕正极材料、负极材料和电解质三方面的研究，总结了这些研究所取得的电化学性能、循环稳定性和形貌进展。此文对掌握水系钠离子电池的最新研究成果有很大帮助。

Aqueous Rechargeable Li and Na Ion Batteries⁴

图三水系电池示意图

电极材料是水系电池的关键，寻找电压窗口宽、化学稳定性好的电极材料对水系电池至关重要。这篇综述以电极材料为主题，总结了水系锂电池、钠电池在正负极材料上的研究进展，同时也介绍了几种经典正极材料在水系钾、镁、铝、锌和钙离子电池上的应用，并简要说明了非传统的混合电解质基电池、锂\钠空气电池等。文章最后列举了水系电池所面临的主要问题，且给出了作者的看法。这篇文章篇幅虽大，但涉及面广，是一篇了解水系电池概况的不二选择。

三、水系Zn电池

Recent Advances in Zn-Ion Batteries⁵

图四典型正极材料的能量分布图

这片论文出自新加坡南洋理工大学范红金课题组，范课题组是储能领域顶尖团队之一，通过这篇综述，作者向我们系统地展示了锌离子电池的方方面面。文章首先带我们了解锌离子电池发展背景和几大优势，然后分别就氧化锰、氧化钒和普鲁士蓝类似物的晶体结构与储锌机制进行总结，接着讨论了电解液的影响，最后指出锌离子电池发展所面临的挑战和未来研究方向。锌离子电池是最近的研究热门之一，对于研究水系/非水系锌离子电池的你，这篇文章一定不能错过。

Recent Advances in Aqueous Zinc-Ion Batteries⁶

图五水系锌离子电池的四大研究方面

如果你专注于水系锌离子电池，又想了解该领域的最新研究成果，强烈推介这篇文章。它从四大方面：寻找理想正极材料、探索储能机制、改进负极材料和优化电解液，总结了近年来改善水系锌离子电池性能的尝试，并相应做了简要评价。通读此文，你一定能从中获益。

Recent Progress in the Electrolytes of Aqueous Zinc-Ion Batteries⁷

图六水系锌离子电池的电解液类别

作为水系锌离子电池的组成部分之一，电解质为锌离子与正负极的整合提供了路径。电解质的选取决定着电池的离子导电性、电压窗口和储能机制。这篇文章首先简要介绍锌离子电池的电化学原理，然后分门别类地总结水系锌电池电解质研究进展，包括液体、凝胶和多功能水凝胶。这些不同类型电解质各具优劣，阅读这篇文章，能帮助你在设计水系锌电池时，选择更为合适的电解质。

四、其它

Aqueous intercalation-type electrode materials for grid-level energy storage: Beyond the limits of lithium and sodium⁸

嵌入型储能机制是水系电池最重要的储能机制，探索新奇的嵌入化学反应，对水系电池具有重大意义。近年来，嵌入型水系电池获得大量关注，除了锂离子和钠离子，关于其它阳离子电池的研究也蓬勃兴起。这篇文章以嵌入型水系电池为主题，总结了钾离子、镁离子、锌离子、铝离子以及其它金属和非金属离子基电池的研究近况。这些新奇的插入型正极材料，或许能够给我们带来启发。

Rechargeable aqueous hybrid ion batteries: developments and prospects⁹

图七 .水系混合离子电池示意图

这篇文章出自中科院院士钱逸泰课题组，它关注于水系混合离子电池，是本领域最新最全面的综述。相比于单离子电池，水系混合离子电池通常具有更高的工作电压和能量密度。该文系统叙述了不同类型水系混合离子电池（单价态离子/单价态离子、单价态离子/多价态离子、多价态离子/多价态离子）的优点和研究进展，并讨论了其面临的主要挑战和解决策略。在设计和构建具有高能量密度的水系混合离子电池方面，文章为读者提供了一个新视角。

Recent Progress of Rechargeable Batteries Using Mild Aqueous Electrolytes¹⁰

中性水系电解质克服了强酸强碱电解质有毒、腐蚀性等缺点，具有更高的安全性和环境友好性。这篇文献关注以中性水溶液为电解质的离子电池，对于锂和钠离子电池，回顾了“盐包水”电解质和有机物正极材料方面所取得的进展，详细介绍了有关锌离子电池的大量研究（正、负极材料、电解液），简单总结了钾、镁、钙、铝离子电池的初步发展。中性水系电池是个具有很好前景又充满挑战的课题，在这方面的研究成果一定会持续增加。

参考文献

Eftekhari, A. High-Energy Aqueous Lithium Batteries. Advanced Energy Materials 2018,8 (24), DOI: 10.1002/aenm.201801156.
Wang, Y.; Yi, J.; Xia, Y. Recent Progress in Aqueous Lithium-Ion Batteries. Advanced Energy Materials 2012,2 (7), 830-840 DOI: 10.1002/aenm.201200065.
Bin, D.; Wang, F.; Tamirat, A. G.; Suo, L.; Wang, Y.; Wang, C.; Xia, Y. Progress in Aqueous Rechargeable Sodium-Ion Batteries. Advanced Energy Materials 2018,8 (17), DOI: 10.1002/aenm.201703008.
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Huang, S.; Zhu, J.; Tian, J.; Niu, Z. Recent Progress in the Electrolytes of Aqueous Zinc-Ion Batteries. Chemistry 2019, DOI: 10.1002/chem.201902660.
Xing, Z.; Wang, S.; Yu, A.; Chen, Z. Aqueous intercalation-type electrode materials for grid-level energy storage: Beyond the limits of lithium and sodium. Nano Energy 2018,50, 229-244 DOI: 10.1016/j.nanoen.2018.05.049.
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Huang, J.; Guo, Z.; Ma, Y.; Bin, D.; Wang, Y.; Xia, Y. Recent Progress of Rechargeable Batteries Using Mild Aqueous Electrolytes. Small Methods 2019,3 (1), DOI: 10.1002/smtd.201800272.