水系电池的发展现状与前景：十篇经典综述带你全面了解

水系电池的发展现状与前景：十篇经典综述带你全面了解

水系电池是指以水为电解质的二次电池。与有机电解质电池相比，水系电池具有安全性高、环境友好、离子电导率高等优势，因此在未来大规模储能中有着更大的应用前景。目前，水系电池主要受到窗口电压窄、电极副反应、循环稳定性差等缺点限制。为了克服这些瓶颈，近年来研究人员开发了水系混合金属电池和单金属电池（钠、锂、锌电池等），并对其正负极材料、电解质、储能机制等进行了广泛的研究。本文选取十篇经典综述，从不同角度介绍水系电池领域的研究进展，以呈现水系电池的整体发展，希望大家有所收获。

1.水系锂电池

高的-

这篇综述由美国纳米学会主席Ali撰写。文章回顾了水系锂电池的三个发展阶段：从1994年Dahn提出，到本世纪初的研究热潮，最后到近年来的新突破。虽然它仍然无法在商业上取代有机锂电池，但最新的研究成果已经为高能量密度、低成本的水系锂电池的发展打开了大门。本文分析了水系锂电池发展的最大瓶颈——电压窗口窄，回顾了该领域的背景、电解质的经典观点、几种新兴的高电压电解质以及电极结构的影响，并介绍了水系锂空气电池和锂硫电池的最新研究。作者最后指出了水系电池的几个研究方向。相信这篇文章能给学习水系锂电池的同学们带来清晰的认识。

离子

图1

左图：1M 条件下氢和氧的理论释放电位和 pH 值。右图：几种电极材料的 Li+ 插入电压。

只有以科学的理论作为实践的指导，才能达到事半功倍的效果。本文首先从一个理论原则阐述了如何选择正负极材料来构建宽电压窗口的水系锂电池——负极锂离子接受电位尽可能高；锂源正极电位尽可能低。文章基于这一原则，总结了近年来在探索理想的正极、负极以及正负极电池体系方面所取得的成果，并将这些典型电极材料的发展历史和电化学性能呈现给读者。文章最后指出了水系锂电池面临的四大难题：电极材料与水/空气的副反应；电极材料的溶解；电极材料的氢和氧析出反应；质子在正极材料的嵌入，并给出了作者对解决方案的看法。

2.水系钠电池

离子

图2 各种储能系统（ASIB - 水合钠离子电池）的能量密度

钠具有与锂相似的电化学性质，且储量丰富，使其有可能应用于高效、低成本的储能体系。近年来，水系钠离子电池的研究日益增多。本文主要从正极材料、负极材料和电解液等方面进行研究，总结这些研究中取得的电化学性能、循环稳定性和形貌方面的进展，对掌握水系钠离子电池的最新研究成果很有帮助。

锂和钠离子

图3 水系电池示意图

电极材料是水系电池的关键，寻找电压窗口宽、化学稳定性好的电极材料对水系电池至关重要。本篇综述以电极材料为主题，综述了水系锂电池和钠电池正负极材料的研究进展，介绍了几种经典正极材料在水系钾、镁、铝、锌和钙离子电池中的应用，并简单介绍了非传统混合电解质型电池、锂\钠空气电池等。文章最后列出了水系电池面临的主要问题并给出了作者的观点。本文虽然篇幅较长，但涉及面很广，是了解水系电池概况的最佳选择。

3. 水系锌电池

锌离子

图4 典型正极材料的能量分布图

这篇论文来自新加坡南洋理工大学范宏进课题组，范课题组是储能领域的顶尖团队之一。作者通过这篇综述，系统地向我们展示了锌离子电池的方方面面。文章首先带我们了解了锌离子电池的发展背景和几大优势，然后总结了氧化锰、氧化钒和普鲁士蓝类似物的晶体结构和储锌机理，接着讨论了电解质的影响。最后指出了锌离子电池发展面临的挑战和未来的研究方向。锌离子电池是近期的研究热点之一，对于研究水系/非水系锌离子电池的朋友来说，这篇文章一定不能错过。

锌离子

图5 水系锌离子电池四大研究领域

如果你对水系锌离子电池感兴趣，想了解该领域最新的研究成果，强烈推荐这篇文章。它从寻找理想正极材料、探索储能机制、改进负极材料、优化电解液四个方面总结了近年来水系锌离子电池性能提升的尝试，并据此做了简要的评估。阅读这篇文章，你一定会受益匪浅。

在锌离子

图 6 水系锌离子电池的电解质类型

电解质作为水系锌离子电池的组成部分之一，为锌离子与正负极的结合提供了途径。电解质的选择决定了电池的离子电导率、电压窗口、储能机制等。本文首先简单介绍了锌离子电池的电化学原理，然后总结了水系锌电池电解质的研究进展，包括液体、凝胶、多功能水凝胶等类别。这些不同类型的电解质各有优缺点。阅读本文可以帮助你在设计水系锌电池时选择更合适的电解质。

四、其他

网格级别的类型：和

嵌入储能机制是水系电池最重要的储能机制，探索新型嵌入化学反应对水系电池意义重大。近年来嵌入水系电池受到广泛关注，除锂离子、钠离子外，其他阳离子电池的研究也蓬勃发展。本文以嵌入水系电池为主题，总结了钾离子、镁离子、锌离子、铝离子等金属和非金属离子基电池的研究现状，这些新型嵌入正极材料或许能给我们带来启发。

离子：和

图7. 水系混合离子电池示意图

本文来自中国科学院钱宜塔院士课题组，主要研究水系混合离子电池，是该领域最新、最全面的综述。与单离子电池相比，水系混合离子电池一般具有更高的工作电压和能量密度。本文系统地描述了不同类型的水系混合离子电池（单价离子/单价离子、单价离子/多价离子、多价离子/多价离子）的优势和研究进展，并讨论了它们面临的主要挑战和解决方案。文章为读者提供了设计和构建高能量密度水系混合离子电池的新视角。

使用温和

中性水系电解液克服了强酸、强碱电解液毒性、腐蚀性等缺点，具有更高的安全性和环境友好性。本文主要针对以中性水溶液为电解液的离子电池。针对锂离子电池和钠离子电池，综述了“盐包水”电解液和有机正极材料方面的进展，详细介绍了锌离子电池的大量研究（正极材料、负极材料、电解液），并简要总结了钾离子电池、镁离子电池、钙离子电池和铝离子电池的初步发展。中性水系电池是一个充满希望和挑战的课题，该领域的研究成果必将不断增多。

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