高熵材料在锌空气和锌离子电池方面的进展与挑战

摘要：随着交通电气化和电网储能需求的持续高涨，全球对电池技术的热情正以前所未有的速度升温。然而，锂离子电池供应链在保障关键且稀缺材料供应方面正面临日益严峻的挑战。在此背景下，开发可持续电池系统的步伐正在加速推进，以期满足日益增长的能源需求。在众多电池技术中，锌基电池

综述背景

随着交通电气化和电网储能需求的持续高涨，全球对电池技术的热情正以前所未有的速度升温。然而，锂离子电池供应链在保障关键且稀缺材料供应方面正面临日益严峻的挑战。在此背景下，开发可持续电池系统的步伐正在加速推进，以期满足日益增长的能源需求。在众多电池技术中，锌基电池凭借其卓越的环境兼容性、具有竞争力的重量能量密度、显著的成本效益以及固有的安全性，脱颖而出，成为大规模能源存储系统的有力候选者。然而，锌基电池的发展之路并非一帆风顺，枝晶形成、界面副反应、锌阳极腐蚀以及氢析出反应等问题一直是制约其性能提升的瓶颈所在。近年来，高熵策略在锌基电池领域的应用逐渐展现出巨大的潜力。通过有效抑制枝晶的形成、减少不必要的副反应、提升活性位点的可用性并优化电池的局部环境，高熵策略为锌基电池的性能提升开辟了新的途径。

综述内容

在此背景下，山东大学冯金奎教授团队对基于锌空气电池和锌离子电池的高熵策略进行了全面而深入的总结。文中不仅详细介绍了高熵材料的定义、特性和多种制造方法的基本原理，还系统梳理了高熵策略在锌基电池正极、负极、电解质以及催化剂中的广泛应用，并着重强调了这些策略在提高电池性能方面的关键作用。尽管高熵策略在锌基电池领域取得了显著成果，但仍面临诸多挑战。因此，本文在结尾部分不仅提出了当前面临的挑战，还为未来的研究方向提供了宝贵的建议。这篇综述将为未来锌基电池领域的高熵策略研究提供有益的指导和启示。其成果以题为“Recent Progress and Challenges on Emerging High-Entropy Materials for Better Zn-Air and Zn-Ion Batteries”在国际知名期刊Energy Storage Materials上发表，王正冉和倪志玮为本文的共同第一作者。

图1. 展示了在Web of Science数据库中，关于关键词“高熵&储能”、“高熵&电池”以及“高熵&电池&锌”的(a-c)发表文章数量及其被引用频次结果。(d)锌电池与高熵的优势(e)高熵合金(HEAs)在元素周期表中的元素组成。

图2. 高熵材料在锌基电池正极，负极，电解质及催化剂当中的应用。

图3. 高熵材料在锌基电池应用的发展时间线

总结与展望

高熵策略在锌基电池的正极、负极、催化及电解质等方面的应用展现出巨大潜力，有效解决了动力迟缓、锌负极不稳定及低温性能差等问题。尽管锌基电池已取得一定突破，但其工业化、商业化应用仍需更多努力。高熵合金在成分控制、合成复杂性及高能耗等方面存在局限，对结构稳定性构成挑战。未来需优化合成方法，结合先进数字技术，提升效率与简化操作，同时利用高级表征工具深化微观结构理解。元素组成对高熵合金性能至关重要，精准设计元素比例仍是难题，机器学习算法与理论计算结合为此提供了新途径。此外，高熵合金纳米粒子在高温下的氧化行为独特，展现出优越的抗氧化性，通过精细调控合金成分与氧化物层结构，可显著降低高温氧化速率。综上所述，高熵材料正逐步迈向可持续的大规模工业应用，未来前景广阔。