综述：高压水系锌基电池电解质：近期进展与未来展望

本综述系统探讨了水系锌金属电池（AZMBs）实现高电压（>2 V）的电解质工程策略，重点分析了液态电解质（无机/有机锌盐）的分子设计、添加剂界面调控及准固态水凝胶（物理/化学交联）的限水效应，为突破水溶液狭窄电化学稳定窗口（ESW）提供技术路线，推动其在大规模储能（如智能电网）中的应用。

　　

Abstract

过去十年，水系锌金属电池（AZMBs）因其环保、低成本和高安全性成为锂离子电池（LIBs）的有力竞争者。然而，受限于水的窄电化学稳定窗口（ESW，~1.23 V），AZMBs的工作电压普遍低于1.5 V，导致能量密度远低于商业LIBs（>3.0 V）。本文从电解质设计角度出发，系统梳理了提升AZMBs电压的关键策略：通过调控锌盐溶剂化结构（如Zn(TFSI)₂）将ESW扩展至2.0–2.5 V；利用添加剂抑制>1.8 V的副反应；开发物理/化学交联水凝胶实现2.5–3.0 V稳定循环。

Introduction

随着可再生能源（如太阳能、风能）并网需求增长，电化学储能（EES）系统亟需低成本、高安全性的解决方案。尽管LIBs占据主导地位，但其锂资源稀缺（地壳丰度17 ppm）和有机电解质易燃性限制了大规模应用。相比之下，锌资源丰富（79 ppm）、成本低廉（0.5–1.5 $ lb.^?1），且Zn²⁺的双电子氧化还原反应赋予AZMBs高达5855 mAh cm^?3的体积容量。然而，普鲁士蓝类似物（PBAs）在>1.6 V时易发生配体溶解，而聚阴离子化合物在>1.7 V会出现晶格坍塌，制约了高压正极的应用。

Liquid electrolytes

液态电解质分为三类：

1. 无机锌盐：如ZnSO₄和ZnCl₂，通过抑制HER/OER将ESW提升至~2.0 V，但高浓度易引发枝晶；
2. 有机锌盐：如Zn(TFSI)₂，其阴离子（TFSI^?）的LUMO能级较高，可拓宽ESW至2.5 V；
3. 混合电解质：添加Mn²⁺等调节剂可形成稳定CEI，缓解Mn²⁺溶解导致的容量衰减。

Quasi-solid electrolytes

准固态水凝胶通过三维网络（如PVA/PAM）限制水分子活性，实现2.5–3.0 V稳定循环：

• 物理交联：氢键网络降低水活度；
• 化学交联：共价键增强机械强度，抑制枝晶穿透。

Conclusion and outlook

未来研究需聚焦：

1. 开发低成本有机锌盐（如Zn(OTf)₂）；
2. 优化界面动力学以平衡离子电导率（>10^?3 S cm^?1）与Zn²⁺迁移数（>0.6）；
3. 建立标准化测试协议，推动实验室成果向电网级储能转化。

（注：全文严格基于原文缩编，未新增观点或数据）