SSB蓄电池用于先进水系锌电池的二维材料
2026-04-13 19:35:56
水系锌电池（AZBs）——包括碱性锌空气电池与弱酸性锌离子电池——凭借其本征高安全性、环境友好性及高功率密度等优势，在固定式储能与柔性可穿戴设备领域具有广阔应用前景。相较于其他材料，二维（2D）材料因其丰富的活性中心、可调控层间距及大比表面积等优势，成为先进AZBs的潜在候选材料。因此，全面理解二维材料的电化学行为和工作机制对推动先进AZBs的进一步发展具有重要意义。本综述首先介绍了采用碱性与弱酸性电解质的AZBs特性，以及二维材料的不同制备与表征方法；随后系统评述并分析了各类二维材料在AZBs中的最新应用进展；最后重点探讨了二维材料在AZBs应用中存在的挑战及相应解决策略。随着实验研究与理论计算的深入发展，二维材料有望在不久的将来构建出更多具有商业化应用前景的AZBs。
引言
随着对能源和清洁环境需求的日益增长，太阳能和风能等可再生能源正成为推动经济社会发展的主导力量。然而，间歇性特性阻碍了其大规模应用。因此，先进的电池储能技术受到了广泛关注[1][2][3]。与基于有机电解质的电池[4][5][6]相比，水系电池因其低成本、本质安全性和高离子电导率[7][8][9]，特别适用于固定式储能和柔性可穿戴设备。其中，水系锌电池（AZBs）最具发展前景，因其具备高功率/能量密度、价格适中和环境友好等优势[10][11][12][13]。
原则上，锌金属反应机理与平衡电位取决于水系电解质的pH值与组分。在碱性环境中，阳极锌上会发生转化反应：及，其中锌的氧化产物为ZnO和Zn(OH)[14]。早期商品化的碱性锌电池（AZB）包括锌镍电池和锌空气电池，均采用碱性电解液。锌镍电池具有约1.6V的高输出电压及80-135 Wh Kg的比能量[15]。碱性锌空气电池的理论能量密度达1218 Wh kg，被视为理想的环保型储能系统[16]。尽管OH作为碱性锌镍电池和锌空气电池的主要载体，仍存在严重的锌枝晶问题，导致锌镍电池和锌空气电池的使用寿命极短。当使用弱酸性电解液时，锌成为电荷载体[17]。锌负极上的反应属于剥离/沉积机制：42--1-1−2+[18]。匹配的正极材料包括钒基材料、锰基材料、普鲁士蓝类似物、有机化合物等。然而锌离子电池仍面临析氢反应(HER)、腐蚀、枝晶生长及正极结构严重失稳等问题。
与其他类型材料相比，二维（2D）材料因其独特的物理化学性质（如丰富的活性位点、大比表面积、通畅的电子/离子通道及可调控的表面官能团[19][20][21]）在AZBs中展现出广阔应用前景。若能将非层状晶格材料制备成片状二维形态，则二维材料的概念可进一步扩展至此类材料。石墨烯、二维过渡金属氧化物（TMOs）、二维过渡金属二硫属化物（TMDs）[22]、二维过渡金属碳氮化物（MXene）、层状双氢氧化物（LDHs）以及二维金属-有机框架（MOFs）[23]/共价有机框架（COFs）等二维材料可通过"自上而下"和/或"自下而上"方法制备[24]。在电极设计、电解质/隔膜优化及器件改进方面，二维材料已成为开发高性能AZBs的有力候选材料。具体而言，当二维材料作为人工界面层应用于锌阳极时，其能够降低锌离子迁移势垒、平衡表面电荷分布并调控锌沉积行为[25][26]。此外，二维材料凭借其大比表面积和活性界面特性，可提供优异的储能性能，故可作为AZBs的高性能活性材料[27]。同时，具有高电子传导率的二维材料还可作为导电添加剂使用[28]。具有丰富表面官能团和开放网络结构的二维材料可用于修饰隔膜，从而调控AZBs中的载流子传输[29]。然而，二维材料在AZBs中的应用仍存在诸多挑战。例如，锌离子扩散动力学受限于不足的层间距，而长期存储容量则受制于结构不稳定性[30]。为解决这些问题，已开发出若干新型策略[31]。目前，二维材料在AZBs领域的应用仍处于起步阶段。因此，总结分析二维材料在AZBs中的本征工作机制与结构参数，对推动高性能AZBs的进一步发展具有重要意义。
如图1a所示，我们首先总结了采用不同类型电解质的AZBs特性。随后概述了二维材料的制备策略与分析方法。进而系统归纳并分析了二维材料在AZBs中的最新应用进展。最后重点探讨了二维材料应用于AZBs所面临的挑战及应对策略。随着实验研究与理论模拟的深入发展，二维材料必将能够构建更多高性能AZBs。
尽管近期已有若干综述性研究分析了二维材料在锌电池中的应用，但针对碱性锌电池（AZBs）中二维材料应用的全面批判性分析仍然缺失。例如，有研究对锂、钠、钾、锌、镁、钙、铝等金属离子及非金属离子水系电池的材料设计与实际应用进行了系统分析[10]。另有文献总结了利用二维材料设计水系锌离子电池（碱性锌电池除外）正负极的相关工作[30]。已有研究对适用于弱酸性水系锌离子电池的不同二维正极材料进行了系统分析[31]。针对锌基电池中石墨烯基材料的进展也进行了全面综述[32]。本综述涵盖范围广泛，呈现了碱性锌镍电池、碱性锌空气电池及弱酸性锌离子电池等各类水系锌基电池中几乎所有具有代表性的二维材料，重点探讨了二维材料结构、电池性能与工作机制之间的构效关系。通过实验与理论计算相结合的方式，本文全面揭示了二维材料作为水系锌基电池正极、负极及电解质（隔膜）的历史沿革、现状与未来发展前景。
