不容忽视，储能系统的潜力股！近期锌基电池的成果大放送

如今，太阳能、风能等绿色能源的研发已经成为世界性的关键课题。而储能电池则是开发新能源的主要技术瓶颈。目前，市场上常用的电池体系有：镍镉电池（Ni-Cd）、镍氢电池（Ni-MH）、铅酸电池和有机锂离子电池。这些电池各具优势，但是他们都无法满足大规模储能需求。此外，镍镉电池对环境的污染非常严重；镍氢电池价格昂贵，体积比能量较低，自放电也大；铅酸电池循环寿命短，质量比能量没有优势；有机锂离子电池的有机电解液对空气极敏感，制造工艺复杂且存在严重的安全隐患。锌基电池是以金属锌为负极的新型二次电池，克服了传统有机体系锂电池以及铅酸电池毒性大、易燃、循环寿命低、制作成本高的缺点，在大规模储能领域具有极大的应用前景。本文仅选取了近期锌基电池的部分优质成果进行展示，以便大家了解和学习！

1、Adv. Energy Mater. 综述：锌离子电池中锌金属负极稳定化的策略

锌离子电池（ZIBs）具有很高的安全性、资源利用率和环境友好性，是下一代储能系统的有希望候选者。然而，锌（Zn）金属负极表面上形成的枝晶和析氢反应（HER）极大的降低了ZIBs的库仑效率和循环稳定性，阻碍了其应用。近年来，通过电极结构设计、界面修饰和电解质/隔膜优化，研究人员致力于克服这些问题。为了对这些策略有深刻而全面的了解，非常有必要根据其内在机制对它们进行分析和分类。基于此，天津大学梁骥教授和侯峰副教授、天津师范大学王立群讲师（共同通讯作者）等人报道了ZIBs中锌金属负极的稳定化策略的综述。首先，作者介绍了锌金属负极的基本原理，以及相关的反应机理。接着，作者对枝晶和HER抑制的策略进行了详细的分类、讨论和分析。最后，作者分别从研究、工业化和商业化角度对ZIBs中锌负极的开发提出了建议。总之，本综述和提出的策略将为探索用于ZIB的新型Zn金属负极的路线图提供启发。

文章信息：

Zhehan Yi et al. Strategies for the Stabilization of Zn Metal Anodes for Zn-Ion Batteries. Adv. Energy Mater., 2020, DOI: 10.1002/aenm.202003065.

2、Adv. Energy Mater.综述：单原子催化剂在氧电催化和Zn-空气电池中应用的最新进展

可再充电锌-空气电池（ZABs）具有制造成本低、理论比能量密度非常高的优点，在电能存储方面被广泛关注。目前，ZABs的大规模应用受到氧化还原反应（ORR）和析氧反应（OER）缓慢动力学的阻碍。近年来，金属单原子催化剂（SACs）成为驱动ZABs中氧电催化的有希望候选者，通过独特的金属配位环境提供高电催化活性和高金属原子利用率碳载体。基于此，新西兰奥克兰大学Geoffrey I. N. Waterhouse（通讯作者）等人报道了近些年来SACs在电催化ORR和OER中的最新进展，及从总体上着眼于改善ZABs性能的综述。首先，祖宗介绍了ZABs的工作原理以及ORR和OER在空气电极上的反应机理。然后，作者讨论了目前开发的用于氧气电催化和ZABs的各种SAC基材料。特别强调了SAC活性位点的结构与电催化性能之间的关系。最后，作者探讨了实用ZABs中SACs存在的挑战和机遇。

文章信息：

Lishan Peng et al. Recent Advances in the Development of Single-Atom Catalysts for Oxygen Electrocatalysis and Zinc-Air Batteries. Adv. Energy Mater., 2020, DOI: 10.1002/aenm.202003018.

3、Adv. Energy Mater.：自组装固态凝胶防止碘离子扩散和自放电，助力稳定的柔性水系Zn-I₂电池

水系可再充电锌-碘电池（ARZIBs）是一种有前景的可持续能源存储形式，具有非常丰富和环境可行的元素。由于水溶性聚碘化物在水性介质中的扩散特性，导致固体碘的利用率低和自放电，从而影响了稳定性和器件设计。基于此，印度萨达尔帕特尔大学Saurabh S. Soni和中科院青岛生物能源与过程研究所崔光磊研究员（共同通讯作者）等人报道了一种通过限制碘化物扩散来构建具有自放电控制状态的固态ARZIB的概念。该方法采用具有高活性碘成分的嵌段共聚物中的水基凝胶嵌入的I₃^-/I^-进行固体凝胶反应。阴极凝胶具有两亲性，可为碘提供高溶解度，并具有立方微晶自组装结构带来的更好的离子传导性。由于在胶束的核-壳界面处和疏水核内部自捕获的聚碘化物，这种凝胶可防止阴极电解液的多层自组装体中随后的凝胶电解质层中的长时间碘离子扩散。但是，锌离子很容易通过亲水性聚（环氧乙烷）-富水通道扩散。该固体基质的放电容量为210 mAh g^-1（在1 C速率下）、稳定性高，经过500次循环后仍保持有94.3％的容量，包括自放电保护功能。总之，该柔性模块装置在变形过程中表现出出色的灵活性，并且稳定的为小部件提供电能。

文章信息：

Keval K. Sonigara et al. Self-Assembled Solid-State Gel Catholyte Combating Iodide Diffusion and Self-Discharge for a Stable Flexible Aqueous Zn-I₂ Battery. Adv. Energy Mater., 2020, DOI: 10.1002/aenm.202001997.

4、Adv. Energy Mater.：设计构建功能分离的电极助力实现高性能混合锌电池

研究发现，将碱性锌过渡金属化合物（Zn-MX）电池功能引入Zn-空气电池中，构建的可再充电混合锌电池可以同时达到高功率密度和高能量密度。然而，常规的单层电极设计不能有效促进离子转移和气体扩散，以最大化Zn-MX电池功能的亲水性界面和Zn-空气电池功能的疏水性界面。基于此，澳大利亚科廷大学邵宗平教授（通讯作者）等人报道了一种功能分离的设计策略，该设计策略将两个电池功能分配给正极的两个面。该电极由疏水性MnS层和亲水性Ni_xCo_1-xS₂层组成，其中疏水性MnS层修饰有Ni-Co-S纳米团簇，可以实现顺畅的气体扩散和有效的氧气电催化作用，而亲水性Ni_xCo_1-xS₂层有利于快速离子转移和优异的能量存储性能。测试结果表明，带有功能分离电极的电池显示出约1.7 V的高短期放电电压、出色的高倍率恒电流放电电荷。在电流密度为100 mA cm^-2时，其功率密度高达153 mW cm^-2，在5 mA cm^-2时的往返效率为75％，在330 h内具有强大的循环稳定性，在5 mA cm^-2时的电压间隙约为0.7V。

文章信息：

Yijun Zhong et al. A Function-Separated Design of Electrode for Realizing High-Performance Hybrid Zinc Battery. Adv. Energy Mater., 2020, DOI: 10.1002/aenm.202002992.

5、J. Mater. Chem. A：3D高密度MXene@MnO₂微米花助力高级水系锌离子电池

虽然二氧化锰（MnO₂）有望作为水系Zn离子电池（ZIBs）的正极材料，但是其实际应用仍然受到低振实密度、缓慢电子传递和循环过程中快速容量衰减的阻碍。基于此，中科院兰州化学物理研究所阎兴斌研究员和江苏科技大学晏超教授（共同通讯作者）等人通过气相喷雾干燥策略开发了一种新型的三维（3D）高密度MXene-MnO₂复合正极材料，其中将MnO₂纳米颗粒封装在皱折且波纹状的MXene纳米片中，有效地构建了坚固且导电的3D花朵状架构，有利于快速的离子/电子转移和高结构稳定性。这些3D MXene@MnO₂微米花用作ZIBs正极，显示出高的可逆比容量（约301.2 mA h g^-1）、优异的倍率性能和超过2000次循环的循环稳定性。当质量负载增加到8.0 mg cm^-2时，在相应的ZIBs水溶液中仍可达到约287.6 mA h g^-1的高比容量，且具有出色的倍率和循环性能。此外，作者利用原位拉曼研究深入阐明了在充电/放电过程中的相演化和电化学机理。在此基础上，作者组装了柔性水系ZIBs作为概念验证，在各种变形状态下，具有可靠的电化学行为，从而揭示了其在便携式/可穿戴电子产品中的应用潜力。

文章信息：

Minjie Shi et al. 3D high-density MXene@MnO₂ microflowers for advanced aqueous zinc-ion batteries. J. Mater. Chem. A, 2020, DOI: 10.1039/d0ta09085a.

6、Nano Energy：纳米结构和异质界面协同促进正极的超高效原位自转化，助力高性能锌离子电池

研究发现，原位自转化是设计用于高性能水系锌离子电池（ZIBs）正极的有效策略。但是，在相变过程中较低的转换效率限制了其进一步的应用。基于此，哈尔滨工业大学王殿龙教授和王博副教授（共同通讯作者）等人报道了三维（3D）海绵状VO₂-石墨烯（VO₂-rG）前体，来实现从VO₂-rG到多面V₂O₅·nH₂O-石墨烯复合物（VOH-rG）的超高效原位自转化。得益于高导电性的异质界面、丰富的反应位点和VO₂-rG的大量离子扩散通道，几乎100％的VO₂纳米带在首次充电时几乎没有副反应，从而转化为VOH，表明具有高效的转化动力学。该策略通过将预先插入的H₂O分子整合到VOH-rG正极中，同时构建3D多孔异质结构，实现了从微纳米级到分子级的结构调节，从而实现快速持久的Zn²⁺(de)嵌入动力学。因此，VOH-rG正极在0.1 A g^-1时表现出466 mA h g^-1的高容量、优异的倍率性能（在20 A g^-1时也达到190 mA h g^-1）和出色的循环稳定性（在超过5000次循环后容量保持率为100％）。此外，组装好的VOH-rG//Zn柔性准固态电池也具有优异的性能。总之，这种超高效的原位自转化策略为探索有前途的电极材料用于高级能量存储提供了新途径。

文章信息：

Hao Luo et al. Synergistic nanostructure and heterointerface design propelled ultra-efficient in-situ self-transformation of zinc-ion battery cathodes with favorable kinetics. Nano Energy, 2020, DOI: https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2020.105601.

7、Nano Energy：利用Sn预插层抑制焦钒酸盐的结构重排，助力高性能锌离子电池

众所周知，可再充电锌离子电池（ZIBs）在电网储能系统中具有巨大应用潜力。然而，目前还缺乏满足实际需要的和稳定的正极材料。基于此，美国路易斯安那州立大学Ying Wang、上海大学程红伟教授和赵康宁博士（共同通讯作者）等人报道了一种以锡（Sn）氧化物层为基底含有吡咯烷酸盐V₂O₇^4-基团的Sn_1.5V₂O₇(OH)₂·3.3H₂O，作为ZIBs的正极，并且通过原位拉曼和异位XANE证实了在SnVO正极中的反应机理，如动力学定量分析一样。打开V=O边缘键并形成Sn-O-V键，导致电荷屏蔽效应，从而促进锌离子的快速扩散动力学。此外，四价锡离子带来更强的离子键，结合到丙酮酸钒V₂O₇^4-基团上，并在丙酮酸钒骨架中产生良好的稳定性，从而保证了循环稳定性。测试结果表明，所制备的SnVO显示出长循环寿命和优异的倍率性能。测试证实，即使以10 A/g的高电流进行循环，SnVO正极仍可在500次循环后保持130 mAh/g的容量，表明在高倍率下仍具有显着的高容量。该发现表明，四价锡离子对层状正极材料的电池性能具有很强的有益作用。总之，相信该研究将推动其他多价可再充电电池的进一步研究。

文章信息：

Wangwang Xu et al. Suppressing the Structural Rearrangements of Pyrovanadate through Sn pre-intercalation for Zinc-ion Battery. Nano Energy, 2020, DOI: https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2020.105584.

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