纳米人-水系电池的崛起：Science Nature突破不断，王春生、乔世璋、陈军、陆俊等代表性成果赏析！

水系电池的崛起：Science Nature突破不断，王春生、乔世璋、陈军、陆俊等代表性成果赏析！

W. Zhou 纳米人 2019-06-21

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近年来，装配锂离子电池的手机、电动汽车、储能电站接连发生爆炸、自燃等事故，引起人们对电池安全性的高度关注。水系电池，顾名思义采用水作为电解质溶剂，可从根本上解决易燃有机电解质引起的安全问题，避免有机体系严格的制造条件、昂贵的电解质成本，并且从根本上改善了电池体系的功率特性（水电解质的离子导电率比有机电解质高2个数量级）。另外，水溶剂具备更好的环境友好性。基于上述优点，水系电池的研究又唤起科研工作者的广泛兴趣，以满足未来高效、安全的储能要求。下文将选取近三年具有代表性的部分工作，分别阐述水性Li⁺、Zn²⁺、K⁺以及Al³⁺四大类水系电池的突破性进展，并站在产业化角度对各水性电池体系进行简要评估。

水系锂电

1. 马里兰大学王春生Nature：Aqueous Li-ion battery enabled by halogen conversion-intercalation chemistry in graphite

水系锂离子电池概念最早在1994年由加拿大著名锂电池科学家Jeff Dahn提出，但是由于纯水本身的分解电压低（1.23 V），使得水系锂离子电池稳定工作电压难以突破 2V，而有机系电池的输出电压一般在3-4 V以上，因此水系电池一般比有机体系电池质量能量密度低。采用“water-in-salt盐包水”型电解质可将水系电池电化学窗口有效扩展到3-4 V，这使得高压正极与低电位石墨负极可以配对使用。然而，常见的过渡金属氧化物正极锂插层容量有限(＜200 mAh/g)，很难获得较高的能量密度。

2019年5月8日，Nature在线发表了美国马里兰大学王春生团队联合美国陆军研究实验室许康等人在水相锂电的最新研究成果 ¹。该工作通过在石墨中创造性地引入卤素转化-插层化学，发展了一种具有优异可逆性的水系LIBs电池。该成果被国际锂电大牛Jeff Dahn盛赞为the most creative new battery chemistry I have seen atleast 10 years。该研究利用卤素阴离子（Br^-和Cl^-）在石墨中的氧化还原反应，将无水LiBr和LiCl以及石墨在2:1:2的最佳质量比条件下混合，制备得到一种含有等摩尔卤化锂盐(LiBr)_0.5(LiCl)_0.5-石墨的全新复合电极。基于高浓度的双盐水（WIBS）电解质可以将部分水合的LiBr/LiCl限制在正极中，当发生氧化反应时，Br⁰和Cl⁰作为固体石墨插层化合物（GIC）嵌入到石墨基质中而得到稳定。这种全新的正极化学方法兼具转化反应的高能量和拓扑嵌入的优异可逆性，因而被称为转换-插层化学机制。这种阴离子转换-插层机理具有多种优势，一方面提高了转化反应的高能量密度，另一方面增强了插层机制的优异可逆性。基于这一阴离子转换-插层机理，其所开发的LBC-G复合电极的容量为243 mAh/g（该容量是基于卤素锂盐和石墨重量计算），平均电位4.2 V，vs Li/Li⁺。通过将该正极与处理过的石墨负极搭配，研究人员组装了一个4 V级的Li离子水溶液全电池，能量密度为460 Wh/kg（总复合电极），库仑效率约100％。这项研究提出了一种全新的电池化学，所提出的转化-插层机制为水系锂电池未来提高能量密度，降低成本，增强安全性起到了重要推动作用。目前，据报道该团队已与法国电池制造商 Saft 达成了合作，有望在不久的将来实现商用化。

图1. Br和Cl的转化-插层机制及高能量密度水系LIBs

马里兰大学的王春生教授在水系电池中的突出贡献是发展了高浓度“盐包水”电解液技术用以拓宽水系离子电池电解液电压窗口。该方面的研究工作已发表在Science、Nature、Joule、PNAS、Angew. Chem.、Energy Environ.Sci.等国际知名期刊。2015年，该课题组首先在Science上报道了一种高度浓缩的水性电解质（21M LiTFSI），其窗口随着电极-电解质界面的形成而扩展到约3.0 V。使用这种水性电解质的2.3 V水系LIBs被证明可以循环1000次，并在低（0.15 C）、高（4.5 C）倍率下放电和充电速率下库仑效率均接近100% ²。随后，他们在Angew. Chem. 通过引入第二锂盐，产生的超高浓度28 M（21 M LiTFSI+7 M LiOTf）锂盐导致阳极上形成更有效的保护界面，同时进一步抑制负极和正极表面的水活性，从而实现在1.83-4.9 V vs. Li/Li⁺窗口内构建高电压水相LIBs³。2017 年，王春生团队在Joule杂志上一种新型的负极保护策略，使得原本的水系电解液窗口拓宽到了4 V以上 ⁴。2018年，其在Joule杂志报导将高浓水系电解液(14M LiTFSI in H₂O)和非水系溶剂(DMC)进行杂化组合，提出了一类新型的杂化电解质体系 ⁵。这种新型杂化电解液体系完美地融合了水系安全无毒和有机体系电化学稳定性高的优势。非水组分的引入将电解液的电化学稳定窗口扩宽至1.0-5.1 V。利用杂化电解液将LTO与高压LMNO匹配成的全电池循环1000周后工作电压高达3.2 V且能量密度高达165 Wh/kg。

Water-in-salt电解液体系为水系锂离子电池以及其它水系电化学储能技术提供了一个全新的研究思路和机会。随着相关新体系的不断提出，为我们全面理解该体系提供了丰富的样本，但同时也带来了一系列基础科学和应用技术层面的问题：①超高盐浓度下离子输运机制目前仍然未知，如何定量测定仍然存在挑战；②水系电解液中电解液-电极界面问题，尤其是SEI膜生长形成机制和规律仍然有待揭示和完善；③低成本Water-in-salt电解液体系开发；④水系电池的结构设计、装配工艺等仍需要不断摸索。

水相锌电

2. 阿德莱德大学乔世璋Angew: An Electrolytic Zn–MnO₂ Battery for High-Voltage and Scalable Energy Storage

近几年，可充电水系锌离子电池（ZIBs）由于其低成本、高安全、环保、高性能的优点得到了持续关注，而这几点当前有机体系电池还难以企及。水系电池相比主流的锂离子电池，面临的最大问题就是能量密度低——电压低（电解水风险）、容量低（单电子反应）。其能量密度始终难以和锂离子电池匹敌，其产业化进程被进一步抑制。

2019年4月11日，Angew.Chem. 在线发表了澳大利亚阿德莱德大学乔世璋教授团队在锌电池领域的最新研究成果 ⁶。作者从设计的无电极锌离子电池中，观察到了一步高电压反应，提出新的锌离子电池电荷存贮机理的同时，从此锌离子电池中得到灵感，通过电解液质子活度的调控，进一步模拟、激活此高电压反应，萃取了一种新型的基于电解Zn（负极）和电解MnO₂（正极）的电池，作者称之为电解锌锰电池，解决了水系电池面临的电压低、能量密度低的问题。此电解Zn-MnO₂电池具有近2 V（1.991 V）的理论电压，及700 Wh/kg的理论能量密度（基于正极与负极）。实测电池放电比容量高达570 mAh/g（高于其他锌基电池），放电平台高达1.95 V（高于其他锌基电池，比如0.6–0.9 V的Zn//V系列，1.2–1.4 V的Zn//Mn系列），基于正负极总重的能量密度高达409 Wh/kg。此外，此电解锌锰电池由地球储量丰富的Zn、Mn元素组成，每千瓦时成本大约只有US$10，这样的成本优势和可操作性非常适合大规模的液流能量存贮。该工作不仅为锌离子电池的电荷存储机理提供了新的见解，还为高能量、可大规模新型锌基电池发展提供了指导方向。据报道，目前已与投资商合作，有望加速电解Zn-MnO₂产业化进程。

图2. 电解Zn-MnO₂电池工作原理示意图及电池性能

3. 复旦大学夏永姚Nature Communications：Polyaniline-intercalated manganese dioxide nanolayers as a high-performance cathode material for anaqueous zinc-ion battery

作为二价金属离子，锌离子的电荷密度大大高于锂离子，对于Zn²⁺在宿主材料中的嵌入/脱嵌是不利的。水分子的共同嵌入能够屏蔽部分Zn²⁺电荷，缓冲Zn²⁺与宿主材料骨架的电荷排斥。然而无论是α、β、γ还是δ晶型的MnO₂（理论容量为308 mAh/g），水分子的共嵌都使宿主材料发生了结构变化，转变为含水的层状氧化锰相。进一步的循环过程中水合Zn²⁺嵌入/脱出造成层状结构坍塌，使容量迅速衰减。

2018年7月25日, Nat. Commun. 在线发表了复旦大学的夏永姚教授团队的Zn/MnO₂中性ZIBs的研究成果 ⁷。该团队巧妙利用界面反应法，通过将反应物分别溶于互不相溶的溶剂中，从而将反应限制于两相接触的界面，使聚苯胺（PANI）作为客体材料插层于主体材料纳米层状MnO₂，所制备的插层MnO₂粒径为10 nm，扩展了MnO₂储锌通道的同时有效巩固了扩展后的层结构。该正极材料在0.2A/g电流密度下展现出280 mAh/g比容量，3A/g电流密度下仍维持110 mAh/g容量输出，尤其是在0.2 A/g（90%活性物质利用率）下循环200圈和2A/g（40%活性物质利用率）下循环5000圈未见明显容量衰退。通过对该电极材料在不同充放电状态下的详细表征，作者提出了Zn²⁺和H⁺共嵌的电极反应机理。该研究针对二氧化锰正极材料的不稳定性，采用简单有效的方法制备了高循环稳定性的插层二氧化锰正极材料，为高性能水系锌离子电池正极材料的发展提供了新的思路。

图3. 基于聚苯胺（PANI）插层的层状MnO₂正极的Zn/MnO₂中性ZIBs

4. 南开大学陈军 Nature Communications：Aqueous rechargeable zinc/sodium vanadate batteries with enhanced performance from simultaneous insertion of dual carriers

目前，虽然关于水性ZIBs的研究成果显著，但实际上关于它的研究仍处于初期阶段，大部分的ZIBs正极材料的容量都被限制在300 mAh/g以下，且循环性能差。

2018年4月25日，Nat. Commun. 在线发表了南开大学的陈军院士团队的Zn/NVO中性ZIBs的研究成果 ⁸。通过设计制备NaV₃O₈•1.5H₂O（NVO）纳米带阴极材料用于水性ZIBs，基于H⁺与Zn²⁺的共嵌入，增强离子插入的热力学和动力学的协同效应，大大增强水性ZIBs的性能。所开发的NVO阴极材料在0.05 A/g电流密度下放电容量高达380 mAh/g，但是在0.5 A/g的电流密度在300个循环之后，Zn/NVO电池容量衰减到只有33 mAh/g。作者将这种快速的容量衰减归因于NVO在ZnSO₄电解质中的快速溶解以及垂直和粗糙的锌枝晶形成。为了同步抑制NVO的溶解和锌枝晶，提高Zn/NVO体系的循环稳定性，作者通过向ZnSO₄中引入Na₂SO₄。向电解质中加入Na⁺可以改变来自NVO电极的Na⁺的溶解平衡，从而阻碍NVO的连续溶解。根据静电屏蔽机理，通过将具有较低还原电位的其他正离子添加到电解质中，可以避免充电过程中的枝晶沉积。添加Na₂SO₄的Zn/NVO电池在100次循环后仍能稳定在221 mAh/g，在电流密度为1 A/g时保留率为90％。在100次循环之后，NVO的纳米带形态仍可以清楚地区分，这表明在充电/放电过程中NVO具有高度的形态和结构稳定性。因此，添加Na₂SO₄添加剂的Zn/NVO电池即使在4 A/g下1000次循环后仍具有82％的高容量保持率。此外，其进一步证明了准固态Zn/NVO电池作为柔性储能装置的可行性，不同弯曲状态下电池表现出良好的循环稳定性。该工作实现了水性ZIBs的双离子共插入，电解液中添加Na₂SO₄避免了NVO溶解和锌枝晶沉积，为传统的水性ZIBs电池的发展带来了新的机遇。Zn/NVO纳米带准固态电池更为可穿戴电池的发展打开了一条道路。

图4. Na₂SO₄电解质添加剂的作用及Zn/NVO的液态及准固态ZIBs

5. 马里兰大学王春生 Nature Materials： Highly reversible zincmetal anode for aqueous batteries

金属Zn因其理论容量高（820 mAh/g），电位低（–0.762 V vs. SHE），资源丰富，低毒性被认为是水系电池的理想负极材料。然而，碱性电解质中的Zn负极持续遭受由其低库仑效率（CE），循环过程中的枝晶生长，持续的水消耗和不可逆的副产物如氢氧化锌或锌酸盐引起的严重不可逆性问题。虽然中性电解质中锌枝晶问题可以被最小化，但其低库仑效率仍然是一个严峻的挑战。而前期报道中：锌还必须大量过量使用以补偿其副反应的消耗，这导致其理论比容量未被充分利用；必须使用高充电/放电速率来减少可逆性对循环寿命的影响；需要定期补充电解质，无法实现免维护。因此，锌负极的开发仍然面临巨大的挑战。

2018年4月16日，Nat. Mater. 在线发表了美国马里兰大学王春生团队联合美国陆军研究实验室许康等人在水性Zn金属负极工作的突破性进展 ⁹。该团队利用高浓度的Zn离子电解质，显著改善锌金属电极沉积/溶解库伦效率，实现锌金属负极的高利用率及长循环寿命。MD模拟和结构和光谱学研究建立了Zn²⁺溶剂化结构和Zn负极可逆性之间的直接相关性。在LiTFSI浓度≥20 M时，其中Zn²⁺被TFSI^-包围，可有效防止H₂析出，从而导致可逆和无枝晶的Zn沉积/溶解（CE≈100％）。构建的混合型Zn-Li电池（Zn/LiMn₂O₄）具有优异的循环性能，可以以99.9％的库伦效率进行4,000次循环，容量保持率为85％。更具挑战性的Zn/O₂系统提供了300 Wh/kg的高能量密度，且循环超200次。值得指出的是，这种新型锌水电解质的中性pH和优异的保水能力有利于锌/空气电池的应用，锌/空气电池一直受到碱性电解质的困扰（与空气中CO₂发生副反应，水挥发等）。高安全性以及优异的循环性使得这些锌电池成为应用于航空航天，飞机，潜艇，深海测量车辆和其他极端条件下的潜在应用对象。

图5. Water-in-salt电解液的锌金属沉积行为及由其构建的Zn/LiMn₂O₄_、Zn/O₂电池

6. 美国海军研究实验室Debra R. Rolison, Science: Rechargeable nickel–3D zinc batteries: An energy-dense, safe ralternative to lithium-ion

碱性锌镍电池的历史可追溯到20世纪初，1901年由爱迪生（美国专利684,204）发明创造，目前已小规模商业化。该类型电池具有1.73V的高放电平台，高比能量（实际可达80~100Wh/kg）、高功率（峰功率超过3kW/kg）、宽温（–20~50℃）、低成本、高安全、环境友好性等优点。但是由于金属锌负极严重的“腐蚀、枝晶、形变和钝化”问题，其循环寿命较短，制约着其进一步大规模应用。

2017年4月28日，Science在线报道了美国海军研究实验室（NRL）的Debra R. Rolison等人研发的一种新型Ni-3D Zn电池 ¹⁰。其将锌粉加入一种水和油状有机溶剂组成的混合物中形成糊浆，倾入特定的模具中加热干燥过夜，固化后形成均匀的多孔海绵状锌骨架。使用这种材料作为电池负极，在放电时锌金属可以发生更为均一的氧化，与此同时在氧化锌还原为金属锌的充电过程中不会产生热点，极大地避免了枝晶的形成。以此三维多孔海绵结构的锌金属阳极与NiOOH阴极构建新型Ni-3D Zn电池，具有优异的电化学性能：（1）在一次电池中使用时，放电深度可超过90%；（2）在40%的放电深度下，碱性Ni-Zn电池具有着与锂离子电池相比拟的比能量，且可以进行100次以上的高倍率循环；（3）当将其应用在启停微混电动汽车上时，它的循环寿命高达几万次。这一研究结果也得到了业内的重视，康奈尔大学的Héctor Abruña教授与伊利诺伊州立大学香槟分校的Paul V. Braun教授高度赞赏了该工作中对于锌电池枝晶形成的有效抑制。为了加快研究的进程，Debra R. Rolison教授及其团队已将该技术授权给EnZinc Inc.公司，若其成功投放到市场中必定会带来电池技术产业的又一次革新。

图6. 三维多孔海绵锌金属阳极与碱性锌镍电池

水相钾电

7. 中科院物理所胡勇胜Nature Energy：Building aqueous K-ion batteries for energy storage

由于传统水系电解液窗口较窄、且极易溶解电极材料，水系钾离子电池（KIBs）电极材料的选择大大受到限制。探索高性能的钾基正极、负极以及宽电压窗口的电解液成为目前水系KIBs领域亟待解决的核心问题。

2019年5月13日，Nat. Energy在线报道了中国科学院物理研究所的胡勇胜团队在水性KIBs全电池构建方面的突破性进展 ¹¹。该团队采用Fe部分取代Mn的富锰钾基普鲁士蓝K_xFe_yMn_1-y[Fe(CN)₆]_w·zH₂O为正极、有机3,4,9,10-聚四甲氧基二亚胺（有机染料苝艳紫红29，PTCDI）为负极、22 M 的KCF₃SO₃为电解质，首次成功构建了一款水系钾离子全电池。所开发的KFeMnHCF-3565正极材料0.5C放电容量达135mAh/g，120C放电容量仍高达84 mAh/g，更为重要的是由于铁取代可减缓相变，100C循环10000次容量保持率高达90%。可用于水系钾离子电池负极材料极少，作者第一次将有机染料PTCDI用作负极，发现PTCDI在22M KCF₃SO₃电解液中具有高达125 mAh/g储钾容量和较好的倍率性能，此外，22 M KCF₃SO₃的高盐浓度水性电解液不仅具有3 V宽电压窗口、高电导率（25℃为76mS/cm、–20℃为10 mS/cm），而且由于缺乏游离水，可以抑制正、负电极的溶解。将开发的正、负极材料和高盐浓度电解液组装成水系钾离子全电池，发现其可以在0到2.6 V电压区间内运行，所获得的KIBs具有80 Wh/kg的高能量密度，寿命可达2000次以上（保持率73%），能够在0.1–20 C的倍率下以及在较宽的温度范围（-20至60°C）内正常工作。该工作所示范的水性KIBs为其在电网规模储能方面的实际应用展现了广阔的前景。

图7. 基于22 M KCF₃SO₃电解质、富铁锰普鲁士蓝阴极与PTCDI阳极的水性KIBs

水相铝电

8.美国阿贡实验室陆俊 Nature Communications：Electrochemically activatedspinel manganese oxide for rechargeable aqueous aluminum battery

在目前所有金属电极材料中，金属铝具有最高的体积比容量，此外还具有质量轻、可靠性高、使用安全、价格低廉且资源丰富等优点，其典型的多电子反应特点使铝离子电池(AIBs)成为储能系统的理想选择。然而，由于铝离子具有3e^–的高荷电量，其电极反应动力学不佳，充放电时容易破坏材料结构，发生3e^–反应的过电位较高，导致循环性不佳，目前还难以兼具高能量密度和优良循环性能。这些技术难题导致AIBs一直没有成功应用于电化学能量储存和转换技术中。开发高性能正极材料和新型电解液是铝离子电池亟待解决的问题。

2019年1月8日，Nat. Commun. 在线发表了北京理工大学吴锋院士团队与美国阿贡实验室陆俊研究员合作开发的Al/Al_xMnO₂·nH₂O水系AIBs的突破性进展 ¹²。首先该研究团队设计了一种原位转化电化学反应来使得尖晶石型Mn₃O₄转化为含水的层状、无定形混合相Al_xMnO₂·nH₂O，并对对这一原位转化反应的机制进行了系统分析。以Al_xMnO₂·nH₂O为正极，金属铝片为负极，Al(OTF)₃-H₂O为电解液装配水系AIBs，发现Al_xMnO₂·nH₂O在1.3 V和1.65V分别呈现短的充电平台和长的充电平台，对应于铝离子的脱出反应。首周放电容量高达467mAh/g，加之1.1 V放电平台，使得该电极材料的能量密度高达481 Wh/kg，在目前的相关研究报道中处于领先。该工作首次将尖晶石-层状转化反应应用于水系三电子电池体系中，为铝离子电池电极材料及新型电解液的开发提供了新的路径，展现了过渡金属氧化物电极材料在构筑高能量铝离子电池体系方面的应用潜力，为实现高安全高性能的大型储能系统提供了新思路和新方法。

图8. 基于Al_xMnO₂·nH₂O阳极的Al/Al(OTF)₃-H₂O/Al_xMnO₂·nH₂O水性AIBs

水性体系比较与产业化分析

目前二次电池领域中铅酸电池（VRLA）和锂离子电池为主。铅酸电池的主要优势包括：技术成熟、价格便宜、工艺简单、维护方便。铅酸电池主要应用于汽车SLI（引擎启动、照明、点火）电池、工业系统、通信后备电源、UPS、应急通信车、电动自行车、电动汽车等领域。铅酸电池的主要缺点有：铅环境污染，质量及体积能量密度均较低，循环寿命较短。锂离子电池优势有：输出电压高、能量密度高、循环寿命长、功率特性好、免维护、环保等。锂离子电池已主导便携式电子类（手机、相机、笔记本等数码产品）市场，近些年在动力电池市场（电动工具、电动汽车）及通信后备电源等方面也脱颖而出。但是，由于易燃易爆的有机电解液引起的安全性问题，以及锂/钴资源引起的成本问题限制着其进一步应用。

镍氢（Ni-MH）电池具有相对较高的比能量，较长的循环寿命，良好的耐过充放能力、安全性、环境相容性以及工作温度范围宽（–45℃~80℃）等优点，广泛应用于消费类（玩具、家用电器、无绳电话等）市场，动力电池（电动工具、HEV混合电动汽车）市场，现代军事电子设备以及航天等领域。尤其是在HEV领域，其以良好的综合电化学性能及成本优势而占据主导地位，截至2017年2月，全球采用镍氢电池的HEV累积销量已超过1200万辆，其中丰田油电混合动力汽车全球累积销量已超过1000万辆。但是由于近些年来稀土、钴、镍价格的上涨，以及锂离子电池的竞争，小型镍氢电池市场需求在逐步下降。

铁镍电池历史悠久（1902年爱迪生发明），由于其坚不可摧（滥充、滥放、滥串）以及超长的循环和搁置寿命，在历史上曾广泛应用。但是由于其自放电严重、比能量偏低、难以密封免维护等问题，渐渐被历史淘汰。最近随着储能市场的兴起，基于其特有的超长寿命、成本优势，渐渐又获得关注。

锌镍电池也历史悠久（1901年爱迪生发明），但是其极差的循环寿命直到1993年得以缓和，2003年PowerGenix公司（现被ZincFive收购）实现产业化。目前，基于其1.73V高电压，优异的能量/功率特性，ZincFive公司目前正在拓展其在智慧交通、数据中心等UPS、固定式储能、SLI以及微混电动车市场的应用。

近几年来，随着纳米技术的进步及水性电解液窗口的不断拓展，学术界涌现出系列水性Li⁺、Zn²⁺、K⁺以及Al³⁺电池的突破性进展。依托于Water-in-salt电解液的水性锂离子电池首先需解决高浓度电解液的成本问题，其次基于常规嵌Li型过渡金属氧化物正极的电池水性LIBs能量密度有限，对于新型正负极材料的开发、评测尚需进一步完善。另一方面Water-in-salt电解液粘度、质量较大，对于实际全电池的结构设计、装配工艺提出更高要求。因此，笔者认为高比能量的水性LIBs的全面的产业化还需要重点解决其成本及实际工艺以真正发挥其能量优势问题。

相比较之下，锌离子电池具有更多可供选择的正负极材料，更为廉价的原材料成本，良好的综合电化学性能，已成为目前水系电池的研究重点。但是由于其较低的工作电压低、较低的正极容量以及较差的循环寿命，目前尚不能实现大规模应用。令人欣慰的是，近期乔世璋团队报道的一种基于1.99 V高电压、双电子反应，理论高比能量高达700 Wh/kg的新型电解锌锰电池。所开发的电池原材料成本极低、储量十分丰富、可简易回收再利用，确保电池体系可以规模化生产、应用。并且由于避开常规锌离子电池中令人头疼的Mn²⁺溶解问题，使得该电解锌锰电池具有优异的循环寿命和倍率性能。该电池在放电态下装配，正负极均可只需合适的集流体，大大减少了材料制造和电池装配的工艺及成本，可大大加速其大规模液流储能的产业化步伐。据报道，目前已有投资商介入推动其产业化，笔者认为其还需要重点解决长循环下锌负极充放电效率，以及高负载集流体的开发。

表1 各水性电池体系性能对比

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小结

水系电池，包括水性Li⁺、Zn²⁺、K⁺以及Al³⁺等电池体系，虽然基于其固有的高安全性优势获得了国内外学者的广泛关注，但是目前各体系的研究仍处于起步阶段。Water-in-salt电解液体系可有效拓宽水性电解质窗口，为水系电化学储能技术提供了一个全新的研究思路和机会，但是其涉及到的离子传导、SEI膜机制等关键科学问题以及应用技术层面的成本问题亟待解决。水性锌离子电池其固有的高安全、低成本以及良好的综合电化学性能等优势成为国内外研发热点，目前研究重点仍处于Mn基、V基等高比容量、高倍率、长寿命正极材料的开发阶段，但是其储能机理仍众说纷纭，尤其是对于实际器件的设计、制造及评测十分欠缺。受电解液窗口的限制，水性钾电、铝电的研究中寻找合适的正、负极材料以及与之相匹配的电解质是其亟待解决的核心问题。总得来说，水系电池的短板仍是能量密度偏低。因此，就目前来看，水系电池在未来的电池应用领域应侧重在对电池重量或体积要求不高的储能领域（如电网、基站等），发挥其低成本、高安全优势。