Adv. Energy Mater.综述：水系锌离子电池先进正极材料的设计原则

来源：科匠学术

一、研究背景：

由于兼具成本低廉、环保、使用安全性高等优点，水系锌离子电池被认为是一种极具发展前景的新型储能系统，近年来受到研究人员的广泛关注。当前，如何有效提升其能量密度，是推动其走向实际应用的关键科学问题之一，其中，先进正极材料的开发与研究是重要环节。然而，在实际研究中，绝大多数正极材料面临着比容量不高、循环稳定性与倍率性能较差的现状，这主要是由于充放电过程中结构不稳定、反应动力学迟缓、副反应不可控等一系列问题所导致的。因而，如果通过合理的结构工程设计，构建具有高比容量、高倍率性能与高循环稳定性的先进正极材料，仍然是当前研究的重点与难点。

二、文章简介：

近日，深圳大学张培新教授团队对近几年在水系锌离子电池正极材料的研究进行梳理撰写。相关综述文章以“Understanding the Design Principles of Advanced Aqueous Zinc-Ion Battery Cathodes: From Transport Kinetics to Structural Engineering, and Future Perspectives”为题发表在材料领域权威期刊Advanced Energy Materials上，博士生雍波与马定涛博士为共同第一作者，张培新教授为唯一通讯作者。文章系统阐述了先进正极材料的设计原则，通过从微观层面揭示传输动力学对于电极性能的影响，进而对比、分析了不同结构工程策略的优点与不足。最后，指出了当前阶段存在的主要研究挑战，并对水系锌离子电池未来的研究方向与应用前景进行了展望。

图 1. 可应用于设计先进水系锌离子电池正极材料的结构工程示例图。

三、文章内容：

1、正极材料的种类与应用评估

从元素组成来划分，正极材料主要可以分为三类：①无机材料；②杂化材料；③有机材料。而针对不同体系正极材料的应用前景，本文从比容量、倍率性能、循环稳定性、工作电压窗口与生物毒性这几个方面对其进行了对比分析与评估。

2、正极材料的主要储能机制

相比于非水系离子电池，水系锌离子电池正极材料的储能机制更为复杂。目前，主流的储能机制主要包括：1) Zn2+嵌入/脱出机制；2) 离子/分子共嵌入/脱出机制；3) H+嵌入/脱出机制；4) 转化反应机制。

3、多空间尺度理解电极内部的传输动力学

一般地，电极内部的传输动力学主要包括离子传输与电荷转移这两个过程，理想的传输动力学应该同时具备高效的离子传输与快速的电荷转移。在介观尺度上，电极内部的传输动力学主要受电极材料孔道结构与界面导电接触的影响；而在微观尺度上，电极材料的本征结构（包括表面结构与晶体内部结构）性质是主要的制约因素。因此，在设计具有高效传输动力学的正极材料时，需要同时考虑形貌与微观结构这两个重要因素。

图2. 电极内部的传输动力学模型

4、可用于设计先进正极材料的结构工程策略

为了有效解决正极材料所面临的一系列问题，各种具有针对性的结构工程策略相继被提出，主要可以分为以下六个部分：1) 插层改性（主要分为阳离子插层、H2O插层、阳离子与H2O共插层，以及导电聚合物插层)；2) 掺杂效应（主要分为金属离子掺杂与非金属原子掺杂）；3) 缺陷工程；4) 表面包覆（主要分为有机物包覆与无机物包覆）；5) 复合物改性；6) 形貌控制（主要分为零维材料与非零维（即一，二，三维）材料）。

图 3.具有高效传输动力学正极材料的设计原则与研究方法示意图。

由于单一的结构工程改性策略往往只能解决正极材料所面临的个别问题，有鉴于此，在未来的研究中，发展基于多结构工程一体化的改性策略有望同时解决更多的技术难题。此外，通过采用先进的结构与成像表征技术，有效揭示正极材料的储能机制与实际的电化学传输行为，能够为开发出具有高效传输动力学的先进正极材料提供理论指导与技术支持。

四、总结与展望：

本文全面总结了当前水系锌离子电池正极材料的研究与发展现状，主要包括正极材料的分类与应用评估、主要的储能机制、电极内部传输动力学与电化学性能的相关性，以及系统介绍了各种结构工程改性策略。文章的最后，作者指出了当前正极材料研究中所面临的主要研究挑战，以及未来的研究发展方向与应用前景，为后续的研究提供了参考思路，以期推动高性能水系锌离子电池的快速发展。

五、致谢：

感谢国家自然科学基金(No. 51774203)与深圳市科技计划项目(No. JCYJ20170818094047620)对本研究的资助。‍

Authors: Bo Yong†, Dingtao Ma†, Yanyi Wang, Hongwei Mi, Chuanxin He, and Peixin Zhang*

Title: Understanding the Design Principles of Advanced Aqueous Zinc‐Ion Battery Cathodes: From Transport Kinetics to Structural Engineering, and Future Perspectives

Published in: Advanced Energy Materials, doi: 10.1002/aenm.202002354.