综述：可充电锌电池在储能领域的竞争优势

这篇综述全面评估了锌基电池作为锂离子和钒液流电池替代方案的潜力，重点分析了锌金属（ZMB）、锌空气（ZAB）和锌液流（Zinc-RFB）电池的化学特性、材料创新与经济生态优势，为可持续储能技术发展提供了系统性见解。

　　

锌基电池技术发展概览

从1800年伏打电堆的锌铜电池原型，到现代二次锌电池体系，锌化学在储能领域历经两个多世纪演变。锌金属（Zn）凭借高理论容量（820 mAh g^-1）、低氧化电位（-0.76 V vs SHE）和地球丰度（地壳储量630亿吨），成为极具吸引力的负极材料。当前研究聚焦三大体系：静态锌金属电池、开放式锌空气电池和流动式锌液流电池，各自在能量密度（100-450 Wh kg^-1）和成本（12-191 $ kWh^-1）维度呈现差异化优势。

锌金属电池：材料工程突破

锌金属电池采用金属锌负极与锰/钒氧化物正极的静态结构，其核心挑战在于锌枝晶生长和阴极溶解。通过(002)晶面织构化锌箔可将对称电池循环寿命从200小时提升至3500小时，而δ-MnO₂阴极在10C倍率下实现1000次循环的92.7%容量保持率。普鲁士蓝类似物（PBA）阴极虽具有开放框架结构，但实际容量局限在60-100 mAh g^-1。电解质创新尤为关键，"盐包水"电解液（21 m LiTFSI）将电化学窗口拓宽至2.6 V，而磷酸酯添加剂可诱导形成Zn₃(PO₄)₂界面层抑制副反应。

锌空气电池：双功能催化设计

可充电锌空气电池利用大气氧作为阴极反应物，理论能量密度高达1086 Wh kg^-1。突破性进展包括：氮掺杂Co₃O₄催化剂使氧还原/析出（ORR/OER）过电位降低至0.27 V，三维锌海绵负极实现90%深度放电，而凝胶电解质（κ-卡拉胶+2M ZnSO₄）将离子电导率保持在3.32×10^-2 S cm^-1。近中性电解质（NH₄Cl/ZnCl₂）体系可避免强碱环境下的锌腐蚀，但循环寿命仍局限在500-1000次。

锌液流电池：混合储能架构

锌液流电池独特地将固态锌沉积与液态电解液结合，Br₂||Zn体系展现2.34 V高电压但面临溴交叉问题。创新方向包括：有机醌类阴极材料替代溴（如TEMPO衍生物），双极板表面改性将电流密度提升至200 mA cm^-2，以及Ce||Zn体系创纪录的3.08 V电压。值得注意的是，ZnI₂体系在13.8 mA cm^-2下实现500次循环的98.5%库仑效率，展现出优异的长循环潜力。

经济与生态竞争力

材料成本分析揭示：δ-MnO₂||Zn电池仅24.4 kWh^?1，显著低于NMC811（49kWh^-1）；锌空气电池因省略阴极活性物质，材料成本低至12.7 $ kWh^-1。生命周期评估显示锌电池全球变暖潜能（28.8-42.5 kg CO₂-eq/kWh）优于锂电（62-78 kg CO₂-eq/kWh）。现有锌回收体系年处理760万吨废料，回收率超90%，而新型电解液结晶技术可实现ZnSO₄的闭环再生。

应用前景与挑战

锌电池技术路线图显示：锌金属电池将率先应用于5-25 MWh工商业储能，锌空气电池瞄准高能量密度备用电源，而锌液流电池适合8小时以上长时储能。关键瓶颈包括：ZMB的负极利用率（当前<50%）、ZAB的双功能催化剂寿命（<2000 h）、RFB的功率密度（<150 mW cm^-2）。通过材料基因组工程筛选新型电解质配方（如Zn(TFSI)₂-尿素共晶体系），结合3D打印电极结构设计，有望在2030年前实现250 Wh kg^-1能量密度和5000次循环的商业化目标。