盐、溶剂与屏蔽策略：水系锌离子电池高效储能的电解质工程

水系锌离子电池(AZIBs)因其本征安全性、低本钱和环境友好性，已成为锂离子系统极具远景的替代挑选。然而水系电解质存在的枝晶成长、析氢反响(HER)、界面不安稳性及有限电化学安稳性等要害问题阻止了其实际使用。电解质工程经过调控溶剂化结构、优化界面化学以及促进锌均匀堆积，已被证实是处理上述问题的有用Strategy。本总述全面探讨了电解质规划战略的最新进展，包括盐类挑选与浓度优化、溶剂系统工程以及各类添加剂的引进。研究要点聚焦于离子型、外表活性剂型、聚合物型、无机物、有机酸及共溶剂添加剂的效果机制，这些组分均对按捺析氢反响（HER）、构成安稳固体电解质界面相（SEI）以及提高锌电极功用具有显着奉献。2+传输动力学。值得注意的是，本总述要点评论了水系锌离子电池电解液改性的最新研究成果，为该范畴前沿进展供给了更新视角。经过系统分析这些电解液优化战略，本文旨在为未来储能使用范畴开发高效安稳的锌离子电池系统供给理论规划依据。

引言

可充电锂离子电池（LIBs）凭仗其高能量密度和长循环寿数，在曩昔三十年间主导了便携式电子设备、电动汽车和电网级储能范畴。然而，关于锂资源稀缺性、本钱、安全危险及环境影响的忧虑，促进人们探究替代化学系统。在新兴候选技能中，锌离子电池（ZIBs）作为一种有远景的大规模储能方案受到了广泛重视。锌金属具有高达820 mAh g^-1的理论容量（体积容量为5855 mAh cm^-3）−1在典型ZIB结构中，Zn²⁺离子经过阳极的可逆电镀/剥离与阴极的嵌入/脱嵌反响，在锌金属负极与主体正极资料之间往复搬迁。电解质则作为−3），其较低的氧化复原电位（-0.76 V vs. SHE）、广泛的自然丰度、低价本钱以及与多种碱金属比较固有的安全性，使锌离子电池在经济效益和安稳性至关重要的固定式及便携式使用范畴展现出强壮吸引力[[1], [2], [3]]。
虽然远景宽广，锌离子电池（ZIBs）仍面对固有应战，尤其是在使用惯例水系电解质时。可逆锌堆积/剥离进程常出现堆积不均匀和枝晶构成问题，可能导致短路和库仑功率（CE）下降。一起，水系系统中的析氢反响（HER）和析氧反响（OER）会与锌氧化复原进程竞赛，下降功率并耗费电解液。锌电极外表部分pH值变化会促进Zn(OH)₂沉淀和外表钝化，进一步阻止反响可逆性并加快容量衰减。2+在正极侧，许多锌离子宿主资料（如MnO₂）2+电解质不只参与离子输运、设定安稳电化学窗口，还显着影响界面行为。因此，电解质的组成与特性对库仑功率（CE）、循环寿数、倍率功用和作业电压等要害功用指标具有决定性效果。此外，电解质还能调控副反响、界面相构成以及双电极反响途径。由此可见，理性规划电解质是开释锌离子电池潜力的中心环节[2]。
虽然锌离子电池（ZIBs）远景宽广，但其仍面对固有应战，尤其在选用传统水系电解质时更为突出。可逆锌堆积/剥离进程常受到不均匀堆积和枝晶构成的困扰，这可能导致短路和库仑功率（CE）下降。一起，水系系统中的析氢反响（HER）和析氧反响（OER）会与锌氧化复原进程竞赛，下降功率并耗费电解质。锌电极外表部分pH值变化会促进Zn(OH)₂沉淀和外表钝化，进一步阻止反响可逆性并加快容量衰减。在正极方面，许多锌离子嵌入主体资料（如MnO2在水性介质中会发生溶解现象，然后破坏循环安稳性。此外，水溶液狭隘的电化学窗口（约1.2V）限制了可完成的电池电压与能量密度。这些副反响现象与电解质化学特性（盐品种、浓度、pH值、溶剂环境及添加剂含量）密切相关，并凸显了经过电解质工程来按捺失效模式并提高功用的必要性（图1）。[[4], [5], [6], [7], [8], [9]]
历史上，锌基可充电电池（如碱性KOH中的Ni-Zn系统）可追溯至数十年前，但现代锌离子电池（ZIB）概念——在温和水系电解液中配对锌金属阳极与锌嵌入阴极——约在2011年随着α-MnO₂中可逆锌嵌入现象的论证而鼓起。前期研究选用简单的中性或弱酸性锌盐溶液（ZnSO₄、Zn(CH₃COO)₂等）作为电解液2+COO2。前期研究选用简单中性或弱酸性锌盐溶液（ZnSO4，Zn(CH3COO)2, ZnCl2)，类似于初级 Zn-MnO2电池系统。此类电解液虽能完成锌离子2+搬迁，但存在显着缺点：电池作业电压受限（相对于 Zn2+/Zn 电极为 ∼1.2–1.6 V），且析氢2演化，以及在两个电极上发生的锌氢氧化物/氧化物沉淀。至2010年代中期，研究者开端系统性推进"电解质工程"以处理这些缺点。首要战略包括：引进电解质添加剂（牺牲离子、外表活性剂、络合剂）；配制高浓度"盐包水"电解质以下降自在水活性；开发根据凝胶或聚合物的基质来束缚电解质并按捺副反响。译文： 2018至2020年间，研究兴趣逐渐转向非水介质、有机溶剂和离子液系统统，以进一步拓展电压窗口并按捺水分引发的副反响。近期研究开端探究固态与准固态电解质（聚合物凝胶、离子凝胶、复合薄膜），旨在兼具固体资料的机械强度与足够的离子搬迁率。锌离子电池电解质研究历经从传统稀水溶液盐系统到复杂配方的演进，各类系统均致力于缓解锌负极问题并安稳正极资料，然后全面提高电池功用指标。[10,11]
本总述深入探讨了锌离子电池面对的电解质相关应战，并论述了怎么经过电解质工程（特别是盐类/溶剂改性及功用添加剂）处理枝晶成长、副反响和正极不安稳性等中心问题。咱们系统分析了ZIB电解质的基本特性、电极-电解质界面的效果机制，以及不同类型电解质、盐类、溶剂和添加剂对电池功用的影响。经过要点评述最新研究进展并指出新兴发展方向，本总述旨在为未来大规模储能使用中的高功用ZIB规划供给理论支撑。