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第一作者：楊金霖

通訊作者：范紅金

通訊單位：新加坡南洋理工大學

論文速覽

水系鋅電池（AZBs）因其高安全性、高成本效益、低制造成本和優異的體積容量而被視為有前途的能量存儲系統。然而，鋅金屬陽極上鋅枝晶生長和自發的析氫反應（HERs）阻礙了AZBs的廣泛應用。

為了解決這些問題，設計單離子傳導電解質（SICEs）以實現單離子傳導至關重要。單離子導電電解質（SICEs）的關鍵目標是在最小犧牲離子電導率（σ）的情況下提高陽離子遷移數（t）。

SICEs通過最小化離子濃度梯度并同時通過抑制陰離子的遷移率來抑制松散的去質子化氧化物物種鈍化，而有效減輕枝晶形成。本文綜述了SICEs的基礎原理和最新進展，并提出了在貧水條件下打破t和s之間平衡的一些策略。文中還批判性地討論了鋅離子傳輸數的測試方法。本文的主要目的是為SICEs的進一步發展提供指導，以促進AZBs的能量密度和壽命。

圖文導讀

圖1：展示了鋅對稱電池的示意圖、離子濃度和電勢隨時間的變化、不同時間下的鋅沉積形貌、高電流和低電流情況下的電勢變化以及SICEs對陰極利用率和活性物質保持的影響。此外，還比較了不同類型的SICEs和完全解離的雙離子傳導電解質（DICEs）的屬性。

圖2：展示了通過共價鍵連接的SICEs，包括聚合物/水凝膠基SICEs和由磺酸基改性的共價有機框架（COF）和聚丙烯酰胺（PAM）水凝膠組成的混合SICE，以及無溶劑的ZnMOF-808 SICE和Zn(AATZ)₂ SICE。

圖3：展示了帶有陰離子受體的SICEs，包括基于酸性陶瓷和環形分子受體的稀/共晶液態電解質，以及聚乙烯醇（PEO）鏈被環形分子受體環繞的中性水凝膠和具有酰胺基團基于受體的Kevlar水凝膠。

圖4：探討了未來SICEs的可能性，包括聚陰離子、電子吸引基團（EWGs）和柔性水凝膠段改善增塑劑效應，以及增強Zn²⁺溶解效應的添加劑。

圖5：討論了鏈幾何結構和陰離子受體對未來SICEs的影響，包括對Zn²⁺溶解結構的影響、具有有序通道的水凝膠基SICE、sp2雜化硼酸酯基受體用于陰離子捕獲、通過p-p堆疊相互作用捕獲陰離子的受體，以及EWGs對多陽離子中心金屬d軌道分裂的影響。

圖6：展示了測量陽離子傳輸數的方法，包括Nyquist圖、電流-時間曲線、極化電位與電流中斷時間的圖、濃度電池的輸出電壓和液接電位測量的示意圖，以及67Zn PFG-NMR譜和67Zn峰的積分強度隨指數變化的函數圖。

圖7：總結了SICEs在水系鋅電池中的屬性和功能，并提出了未來研究的建議。

總結展望

本文綜述了水系鋅金屬電池中SICEs的潛力，這些電解液通過降低濃度極化來抑制枝晶生長和減少HER傾向。近年來，已經開發出來多種形式的SICEs，包括聚合物、水凝膠、金屬/共價有機框架和晶體硫化物。盡管取得了顯著進展，但在水系鋅金屬電池中應用SICEs時，如何在tZn²⁺和s之間取得平衡仍然是一個挑戰。

未來的研究應關注以下幾個方面：SICE對陰極材料退化的影響、SICE與電極之間界面的穩定性、SICE的物理性能、通過理論模擬和機器學習進行快速篩選和優化，以及AZBs在軟包電池形式下的實際應用性能。預計SICEs將為開發具有長壽命、高安全性和良好能量密度的AZBs提供機會。

文獻信息

標題：Designing single-ion conductive electrolytes for aqueous zinc batteries

期刊：Matter