十篇經典綜述，帶你了解水系電池全貌

Alisa 4年前 (2019-09-27) 20326瀏覽

水系電池是指以水為電解液的二次電池。相較于有機物電解液電池，水系電池具有安全性高、環境友好、離子導電率高等優點，因此在未來的大規模電能儲存中，水系電池具有更大的應用前景。目前水系電池主要受到窗口電壓窄、電極發生副反應，循環穩定性差等缺點的限制，為了攻克這些瓶頸，近年來研究者們開發出了水系混合金屬電池、單金屬電池（鈉、鋰、鋅電池等），并對它們的正、負極材料、電解液、儲能機制進行了大量研究。本文選取十篇經典綜述，從不同視角介紹水系電池領域的研究進展，以期呈現水系電池的發展全貌，希望大家有所收獲。

一、水系鋰電池

High-Energy Aqueous Lithium Batteries¹

這篇綜述由美國納米協會主席Ali Eftekhari執筆，該文回顧了水系鋰電池的三個發展階段：從1994年被Dahn提出，到本世紀初的研究熱潮，最后是近幾年的新突破。雖然它目前仍不能從商業上取代有機系鋰電池，但最新的研究發現已為研發高能量密度、低廉的水系鋰電池打開大門。該文分析了水系鋰電池發展的最大瓶頸——電壓窗口窄，評述了本領域的背景、有關電解液的經典觀點、幾種新興的高電壓電解質以及電極結構的影響，并且介紹了水系鋰空氣電池和鋰硫電池的最新研究。作者最后指出水系電池的幾個研究方向，相信這篇文章能給研究水系鋰電池的同學帶來清晰認識。

Recent Progress in Aqueous Lithium-Ion Batteries²

圖一

左：在1?M Li₂SO₄中，理論析氫析氧電位和PH值的關系?右：幾種電極材料的Li⁺嵌入電壓

以科學理論作為實踐的指導，方可事半功倍，這則文獻首先從理論原則上闡明，如何選擇正負極材料才能構建出具有寬電壓窗口的水系鋰電池——陽極鋰離子接受電位盡可能高；鋰源陰極電位盡可能低。文章圍繞這一原則，總結了近些年在探索理想正極、負極和正負極電池系統方面的成果，把這些典型電極材料的發展歷程、電化學性質呈現在讀者面前。文章最后指出水系鋰電池所面臨的四大問題：電極材料和水/空氣的副反應；電極材料的溶解；電極材料析氫、析氧反應；質子嵌入正極材料，并就解決方案給出了作者的看法。

二、水系鈉電池

Progress in Aqueous Rechargeable Sodium-Ion Batteries³

圖二各能量儲存系統的能量密度（ASIBs——水系鈉離子電池）

鈉具有類似于鋰的電化學性質，并且其儲量豐富，這使得它可能應用到高效、低價的儲能系統中。近年來對水系鈉離子電池的研究增多，這篇綜述圍繞正極材料、負極材料和電解質三方面的研究，總結了這些研究所取得的電化學性能、循環穩定性和形貌進展。此文對掌握水系鈉離子電池的最新研究成果有很大幫助。

Aqueous Rechargeable Li and Na Ion Batteries⁴

圖三水系電池示意圖

電極材料是水系電池的關鍵，尋找電壓窗口寬、化學穩定性好的電極材料對水系電池至關重要。這篇綜述以電極材料為主題，總結了水系鋰電池、鈉電池在正負極材料上的研究進展，同時也介紹了幾種經典正極材料在水系鉀、鎂、鋁、鋅和鈣離子電池上的應用，并簡要說明了非傳統的混合電解質基電池、鋰\鈉空氣電池等。文章最后列舉了水系電池所面臨的主要問題，且給出了作者的看法。這篇文章篇幅雖大，但涉及面廣，是一篇了解水系電池概況的不二選擇。

三、水系Zn電池

Recent Advances in Zn-Ion Batteries⁵

圖四典型正極材料的能量分布圖

這片論文出自新加坡南洋理工大學范紅金課題組，范課題組是儲能領域頂尖團隊之一，通過這篇綜述，作者向我們系統地展示了鋅離子電池的方方面面。文章首先帶我們了解鋅離子電池發展背景和幾大優勢，然后分別就氧化錳、氧化釩和普魯士藍類似物的晶體結構與儲鋅機制進行總結，接著討論了電解液的影響，最后指出鋅離子電池發展所面臨的挑戰和未來研究方向。鋅離子電池是最近的研究熱門之一，對于研究水系/非水系鋅離子電池的你，這篇文章一定不能錯過。

Recent Advances in Aqueous Zinc-Ion Batteries⁶?

圖五水系鋅離子電池的四大研究方面

如果你專注于水系鋅離子電池，又想了解該領域的最新研究成果，強烈推介這篇文章。它從四大方面：尋找理想正極材料、探索儲能機制、改進負極材料和優化電解液，總結了近年來改善水系鋅離子電池性能的嘗試，并相應做了簡要評價。通讀此文，你一定能從中獲益。

Recent Progress in the Electrolytes of Aqueous Zinc-Ion Batteries⁷

圖六水系鋅離子電池的電解液類別

作為水系鋅離子電池的組成部分之一，電解質為鋅離子與正負極的整合提供了路徑。電解質的選取決定著電池的離子導電性、電壓窗口和儲能機制。這篇文章首先簡要介紹鋅離子電池的電化學原理，然后分門別類地總結水系鋅電池電解質研究進展，包括液體、凝膠和多功能水凝膠。這些不同類型電解質各具優劣，閱讀這篇文章，能幫助你在設計水系鋅電池時，選擇更為合適的電解質。

四、其它

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

嵌入型儲能機制是水系電池最重要的儲能機制，探索新奇的嵌入化學反應，對水系電池具有重大意義。近年來，嵌入型水系電池獲得大量關注，除了鋰離子和鈉離子，關于其它陽離子電池的研究也蓬勃興起。這篇文章以嵌入型水系電池為主題，總結了鉀離子、鎂離子、鋅離子、鋁離子以及其它金屬和非金屬離子基電池的研究近況。這些新奇的插入型正極材料，或許能夠給我們帶來啟發。

Rechargeable aqueous hybrid ion batteries: developments and prospects⁹

圖七 .水系混合離子電池示意圖

這篇文章出自中科院院士錢逸泰課題組，它關注于水系混合離子電池，是本領域最新最全面的綜述。相比于單離子電池，水系混合離子電池通常具有更高的工作電壓和能量密度。該文系統敘述了不同類型水系混合離子電池（單價態離子/單價態離子、單價態離子/多價態離子、多價態離子/多價態離子）的優點和研究進展，并討論了其面臨的主要挑戰和解決策略。在設計和構建具有高能量密度的水系混合離子電池方面，文章為讀者提供了一個新視角。

Recent Progress of Rechargeable Batteries Using Mild Aqueous Electrolytes¹⁰

中性水系電解質克服了強酸強堿電解質有毒、腐蝕性等缺點，具有更高的安全性和環境友好性。這篇文獻關注以中性水溶液為電解質的離子電池，對于鋰和鈉離子電池，回顧了“鹽包水”電解質和有機物正極材料方面所取得的進展，詳細介紹了有關鋅離子電池的大量研究（正、負極材料、電解液），簡單總結了鉀、鎂、鈣、鋁離子電池的初步發展。中性水系電池是個具有很好前景又充滿挑戰的課題，在這方面的研究成果一定會持續增加。

參考文獻

Eftekhari, A. High-Energy Aqueous Lithium Batteries. Advanced Energy Materials 2018,8 (24), DOI: 10.1002/aenm.201801156.
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