摘要：在全球能源危机加剧和环境挑战日益严峻的背景下，各国纷纷致力于发展绿色能源与可再生能源。作为间歇性可再生能源的有效存储手段，电化学储能技术的重要性愈发凸显。近年来，水系锌离子电池(ZIBs）凭借其成本低、高理论容量(820 mAh g-1或5846 mAh cm
综述背景
在全球能源危机加剧和环境挑战日益严峻的背景下，各国纷纷致力于发展绿色能源与可再生能源。作为间歇性可再生能源的有效存储手段，电化学储能技术的重要性愈发凸显。近年来，水系锌离子电池(ZIBs）凭借其成本低、高理论容量(820 mAh g-1或5846 mAh cm-3）、资源丰富以及安全性高等优势，在电网级大规模储能领域中具有广阔的应用前景。然而，正极侧Zn²⁺离子的强极化效应和活性水分子的存在导致一系列问题，如Zn²⁺传输缓慢、结构退化、强静电相互作用、副反应以及正极溶解等。现有改性策略包括缺陷工程、掺杂与插层、复合材料及界面修饰等，但存在工艺复杂、成本高、能量密度降低等问题。电解液调控策略因简单、兼容性强、成本低，成为提升正极性能的有力手段。它通过影响Zn²⁺的溶剂化结构和脱溶动力学，优化离子传输和嵌入行为。然而，当前电解液调控研究多聚焦于锌负极保护，对正极性能提升机制仍不清晰。为此，该工作梳理了相关工作，从电解质各组分的作用及其调节机制角度，全面综述了提升正极电化学性能的电解质优化策略，为设计多功能电解质提供指导。该文发表在国际著名期刊Advanced Materials上，吴锋院士团队的白莹教授、吴川教授、赵然副研究员为共同通讯作者，硕士生叶炳光为该论文的第一作者。
综述要点
⭐电解液在Zn2+离子传输和反应机制中发挥着至关重要的作用。然而，当前的研究多集中于负极，对于正极的电解液相关研究则相对匮乏，亟待进一步深入探索。
⭐该文首次全面系统地总结并分析了针对正极的电解液调控策略，并基于不同调控组分进行分类，填补了该领域的研究空白。
⭐深入剖析了电解液调控策略的基本机制，将其划分为离子效应、溶剂化效应和界面调控效应三大类，揭示了这些机制在优化正极性能中的关键作用，为正极材料的性能提升提供了理论依据。
⭐尽管电解液调控策略在正极优化中展现出巨大潜力，但其仍存在局限性。含添加剂的电解液通常需要针对特定正极材料进行优化，缺乏普适性。因此，未来的研究需要进一步深入探讨电解液对多种正极材料的影响，以实现更广泛的应用。
图文导读
图1. 锂、钠、钾、镁、铝和锌金属的(a) 标准电位；(b) 质量和体积比容量；(c) 参数与指标；(d) 2019-2023年与电解液调控策略调控水系ZIBs电正极材料相关的已发表的出版物数量(数据来自Web of Science）；(e) 近年来关于电解液调控策略调控水系ZIBs正极材料的相关工作。
▲水系锌离子电池因其高比容量(820mAh/g，5846mAh/cm³）、合适的电化学电位(-0.762V vs标准氢电极）以及锌资源的高丰度，受到广泛关注并快速发展。然而，缓慢的动力学、副反应、结构崩溃和正极溶解严重影响了其商业化。电解质调节策略作为一种提升水系锌离子电池正极电化学性能的有前景的方法，因其操作简单、系统兼容性强、成本低且效果显著而受到关注。尽管已有研究在电解质基础研究方面取得进展，但目前的研究多集中于保护锌负极，对电解质调节策略对正极电化学性能的影响及其机制探讨较少。
图2. 水系ZIBs正极挑战。
▲近年来，水系锌离子电池(ZIBs）在大规模储能领域取得了显著进展，但在正极和负极方面仍面临诸多挑战。对于正极方面，Zn²⁺的强极化效应以及活性水分子的存在导致了一系列问题，包括Zn²⁺传输缓慢、结构退化、强静电相互作用、副反应以及正极溶解。
这些问题的具体表现如下：
1.Zn²⁺传输缓慢：Zn²⁺与水分子形成强的库仑相互作用，导致水合离子[Zn(H2O)6]2+的形成，增加了脱溶化能垒。
2.结构退化：正极材料的晶格间距在Zn²⁺的反复嵌入/脱出过程中发生膨胀和收缩，导致晶格应变和结构不稳定。
3.强静电相互作用：Zn²⁺与宿主晶格中的阴离子之间的强静电相互作用会扭曲晶体结构，阻碍Zn²⁺的传输。
4.副反应：水系电解液的高活性和窄电化学稳定性窗口(ESW）导致正极/电解液界面发生意外副反应，形成惰性副产物，增加界面阻抗。
5.正极溶解：水分子的强极性会攻击正极材料，导致其不可逆相变，此外溶解过程还受电解液pH值和晶格结构畸变的影响。
图3. 水系ZIBs电解液调控策略概述图。(a) 不同水系ZIBs中盐的结构示意图；(b) 1 M Zn(TFSI)2和3种LiTFSI浓度(5、10和20 M）的电解质中的Zn2+溶剂化结构；(c) D2O的EEI的影响示意图；(d) Zn2+-EG溶剂化相互作用影响混合电解质化学性质的机理示意图；(e) Na2SO4添加剂抑制了NVO纳米带的溶解和Zn枝晶的形成示意图；(f) 代表性的锌溶剂化环境转化示意图；(g)TA-SA水凝胶电解质制备示意图；(h) 固体电解质(SE) 框架中阳离子的输运(绿色)。
▲电解质调节策略因其显著效果、低工程复杂性、强系统兼容性和商业化前景，被用于提升正极的电化学性能。电解质作为连接正负极的桥梁，其组成成分(溶剂、盐、添加剂）及相互作用(如离子-溶剂、离子-离子、溶剂-溶剂相互作用）对电化学窗口、反应动力学、反应机制和副反应有重要影响。因此，该文重点介绍了电解质各组分(盐、溶剂、添加剂和电解质本体）对水系ZIBs正极性能提升的影响。
图4. 不同锌盐的优缺点。
▲在水系锌离子电池(ZIBs)中，电解质中的盐阴离子对电解质性能和电极反应机制具有重要影响。不同阴离子种类会显著改变电解质中的离子缔合特性、副反应以及电极材料的反应机制。相比于碱性电解液而言，中性或弱酸性电解液表现出更好的可逆性，更适合水系ZIBs。因此，研究人员开始广泛使用中性或弱酸性的锌盐电解质，包括无机和有机锌盐。其中无机锌盐包括硫酸锌(ZnSO₄)、氧化性锌盐(如Zn(NO₃)₂、Zn(ClO₄)₂)和氯化锌(ZnCl₂)，有机锌盐包括醋酸锌(Zn(CH₃COO)₂)、三氟甲磺酸锌(Zn(CF₃SO₃)₂)和双三氟甲磺酰亚胺锌(Zn(TFSI)2)。
图5. 电解质调节策略调控正极材料的保护机制。
▲电解质调节是一种有效提升水系锌离子电池(ZIBs)正极电化学性能的方法。该工作首次系统梳理了电解质调节策略对水系锌离子电池正极性能优化的机制，将调节机制归纳为三大类：离子效应、溶剂化效应和界面调控效应。这些机制通过抑制正极材料的溶解、减少副反应、提高工作电压等方式，显著提升了电池的循环稳定性、反应动力学和能量密度。
总结与展望
该文综述了水系锌离子电池(ZIBs)中电解液调节策略对正极材料电化学性能的影响及其调控机制。文章重点探讨了电解液成分(包括盐、溶剂和添加剂)对正极性能的作用机制，并从离子效应、溶剂化效应和界面调控三个方面对这些机制进行了分类总结。此外，该工作还探讨了水系锌离子电池(ZIBs)电解质优化的挑战及未来发展方向。水系锌离子电池(ZIBs)电解质优化面临诸多挑战，如电解质对正极影响机制不明、界面动态理解不足、调节策略普适性差、回收难等问题。未来需深入研究电解质调节机制，利用原位技术研究界面变化，开发环保型电解质，并借助AI预测高性能电解质配方。
文献信息
B. Ye,F. Wu, R. Zhao, H. Zhu, M. Lv, X. Han, T. Chen, X. Wang, Y. Bai, C. Wu, Electrolyte Regulation toward Cathodes with Enhanced-Performance in Aqueous Zinc Ion Batteries. Adv. Mater. 2025, 2501538.
来源：科学创建美好生活