水系锌基电池关键材料与器件

能源是人类生存与经济发展的物质基础之一。现今，化石燃料的开发使用带来的环境问题和能源危机已然成为人类社会必须面对的巨大挑战。我国从国家发展和安全战略高度，提出了2030年前实现二氧化碳排放达到峰值，争取在2060年前实现碳中和的“双碳”目标。储能是可再生能源高占比电网系统、提高风能、光能等清洁能源消纳水平、推动新能源汽车等产业发展的关键。储能技术是未来综合能源系统发展的核心技术，也是我国实现能源变革的重要内容和实现“双碳”目标的关键环节之一，将深刻影响到未来国家的能源结构和能源安全。
储能电池是储能系统中的能量存储单元，为储能产业链核心环节之一。过去的半个世纪，以锂离子电池为代表的电化学储能电池体系得到了极大的发展。然而，在各式新能源产业快速发展的今天，对储能电池的各项性能均提出了更高的要求，新型储能电池的发展迫在眉睫。水系锌基电池基于水系电解液和锌金属负极的本征物理化学特性，在能量密度、安全性、成本、环境友好性等方面表现出显著优势，因而在规模储能、电动汽车、航空航天等领域具有广泛的应用前景。水系锌基电池是目前电化学能量存储领域的前沿热点方向，关键材料和器件设计均取得了巨大的进展。总结现有的研究进展和问题、不足，对未来水系锌基电池的产业化和实用化具有重要意义。
本书围绕水系锌基电池的基础理论和前沿发展，系统阐述了水系锌基电池在电化学理论层面、关键材料层面、电池器件层面、产业应用层面的基础知识和研究现状，并提出了领域发展的前瞻性建议。本书共分6章，第1章介绍了水系锌基电池的基本概念以及产业应用现状；第2章系统介绍了水系锌基电池锌金属负极的基础特性、反应机理、目前存在的问题和相应的优化策略；第3章系统介绍了水系锌基电池水系电解液的电化学基础、电解液组分设计研究进展、存在的关键问题、优化目标和思路；第4章系统阐述了基于转化反应、催化反应、插层反应、电容性吸附反应、混合机理的水系锌基电池关键正极材料；第5章从产业实用化角度，介绍了水系锌基电池器件的结构和封装进展；第6章系统介绍了真实评价水系锌基电池性能的科学标准，以及未来水系锌基电池的发展方向和所面临的挑战。
本书内容详实丰富，力求从基础理论、前沿科学、产业应用技术的现状和发展趋势对水系锌基电池进行全方位的梳理和解读。从内容的选择上，兼顾关键科学理论和实际器件应用，既注重对基础电化学、材料学知识和研究方法的介绍，同时又紧紧围绕前沿方向的最新进展。本书可作为电化学、能源材料、储能技术等研究方向的研究生的基础教材，也可供从事电化学储能材料与器件领域科学研究和技术研发的科技工作者参考。本书还有助于启迪电化学储能基础理论和应用的创新思维，以应对我国储能产业快速发展带来的机遇和挑战。
本书的完成要感谢多位老师的指导和帮助。全书由胡文彬教授和丁佳教授负责内容体系设置统稿和定稿工作，吴忠副教授、韩晓鹏研究员、邓意达教授、郑学荣教授、丁佳教授、陈亚楠副教授、钟澄教授参与各章节编撰工作。以上专家均长期在能源新材料与器件领域第一线从事科学研究工作，他们为保证本书的内容质量和顺利完成付出了艰辛的劳动，在此一并致谢。此外，在本书的编写过程中，多位专家学者审阅了书稿并给出了宝贵意见，由于篇幅原因，未能一一列出，在此一并致以最诚挚的谢意。
一方面，因为编者经验不足，另一方面，因为水系锌基电池仍在快速发展，新的知识和研究进展不断涌现，本书中难免存在疏漏之处，希望专家和同行们见谅并提出宝贵意见，以便及时补充和修改。

编者
2022年10月

胡文彬，天津大学材料学院，教授，院长。1984.09-1988.07  中南工业大学（中南大学）材料学专业学生；
1988.07-1991.03  天津大学材料学专业硕士研究生；
1991.03-1994.06  中南大学有色金属冶金专业博士研究生。
工作经历：
1994.05-1996.06   上海交通大学材料科学与工程博士后流动站，博士后；
1996.06-1999.12   上海交通大学材料科学与工程学院，副教授；
1999.12-2000.12   上海交通大学材料科学与工程学院，教授；
2000.12-2013.12  上海交通大学材料科学与工程学院，教授/博导；兼金 属基复合材料国家重点实验室教授（2011年定为2级）；
2012.05-2013.12   上海交通大学特聘教授/博导；
2014.01-      天津大学材料学院教授。

研究方向
研究领域：
● 湿法冶金与材料制备科学；
● 材料表面结构与功能一体化；
● 微纳材料的控形控性制备与应用；
● 能源新材料。

承担项目
主要承担项目：
1. 国家杰出青年科学基金：金属粉体的湿法冶金制备及其形态结构控制（51125016）；
2. 国家海洋局重大专项：海洋工程核心部件与材料测试评价服务平台建设；
3. 国家自然科学基金联合基金：金属-空气电池电极材料催化活性位调控及应用基础研究（U1601216）；
4. 国家自然科学基金（面上）：镍磷合金中磷元素对析氢行为的影响机制研究（51671143）；
5. 国家自然科学基金（面上）：四氧化三钴纳米薄膜的形成机制、结构及其超级电容特性（51472178）；
6. 国家自然科学基金（面上）：微米尺度金属复合薄膜的微观组织结构设计力学变形行为的研究（5117114）；
7. 国家自然科学基金（面上）：镁合金熔盐冶金扩散铝涂层的基础研究（50974088）；
8. 国家自然科学基金（面上）：胶体自催化组装制备超细空心镍球粉末的研究（50474004）；
9. 国家自然科学基金(青年)：网络交叉金属陶瓷复合材料（59501002）；
10. 863计划项目：短碳纤维表面金属化新技术及其应用（2007AA03Z546）；
11. 863计划项目：新型金属基复合材料及其精密成型技术（2002AA334010）；
12. 国家科技支撑计划课题：电镀锌核心工艺和装备的研发（2011BAE13B08）；
13. 总装预研与国防项目：3项；
14. 天津市科技支撑重点项目：低成本、长寿命无缝钢管芯棒的制造与应用技术（16YFZCGX00100）；
15. 高等学校科技创新工程重大项目培育资金项目：镁合金表面熔盐自发置换扩散铝涂层的基础研究（707025）；
16. 教育部“新世纪优秀人才计划”基金项目：超细空心金属镍球的微波吸收特性与隐身涂层研究（NCET-06-0390）；
17. 上海市教委“曙光计划”基金项目：超细空心金属球的微波吸收特征与性能研究      “曙光计划”跟踪：结构特征参数对铁磁性纳米粒子电磁性能的影响机制研究（10GG06）；
18. 上海市优秀学术带头人：铁磁性纳米材料形态结构控制与电磁性能研究（11XD1402700）；
19. 上海市科技发展基金项目：纳米超黑空心金属粉体的工业制备与应用（05nm05004）；
20. 上海市重点攻关项目：关键机械零部件耐磨减摩修复新技术（0352211037）；
21. 教育部博士点基金（博导类）：原位液体自润滑复合材料设计制备及摩擦机理研究（20120073110006）。

《水系锌基电池关键材料与器件》对水系锌基电池的基础知识和前沿进展进行了系统介绍。内容包括水系锌基电池基本概念，锌负极、正极、电解液等关键材料，电池器件的结构与封装，电池体系的产业应用，以及对水系锌基电池未来发展方向和挑战的分析。全书内容丰富，从电化学理论、关键材料、应用器件等各个层面全面展现了水系锌基储能电池体系的基础知识和研究进展。
本书可作为高等院校和科研机构中从事材料、环境、能源专业相关领域教学和研究的教师和研究生的教学和学习教材，也可供企事业单位中从事新型储能电池研究或生产的科技工作者、工程技术人员参考。

第1章 绪论
1.1水系锌基电池基本概念 1
1.1.1水系锌基电池工作机制 1
1.1.2水系锌基电池电化学特性 5
1.2水系锌基电池产业应用概述 8
1.2.1储能电池 8
1.2.2动力电池 9
1.2.3柔性器件 10
参考文献 11

第2章 锌金属负极
2.1锌金属的基础特性 14
2.1.1锌金属的分布及生产成本 14
2.1.2锌金属的物理特性 15
2.1.3锌金属的化学特性 17
2.2常用的锌金属负极 18
2.2.1锌筒 18
2.2.2锌粉 18
2.2.3锌箔 23
2.3锌金属负极的反应机理 23
2.3.1电化学反应机理 23
2.3.2锌离子的溶剂化结构 24
2.4锌金属负极的副反应和枝晶 26
2.4.1副反应的种类和机制 26
2.4.2锌枝晶的形成机理 28
2.5锌金属负极性能的优化策略 31
2.5.1成分设计 31
2.5.2表面修饰 32
2.5.3结构设计 33
2.5.4电解液改性 33
2.5.5无锌负极 35
2.5.6其他策略 35
参考文献 35

第3章 水系电解液
3.1水系电解液电化学基础 41
3.1.1水系电解液热力学和动力学基础 41
3.1.2水系电解液稳定电压窗口 45
3.2锌基电池水系电解液现状 52
3.2.1锌基电池水系电解液概述 53
3.2.2锌离子电池水系电解液 54
3.2.3锌空气电池水系电解液 55
3.3锌基电池水系电解液的优化 57
3.3.1水系电解液的优化目标 57
3.3.2高浓度电解液 59
3.3.3功能性添加剂 61
3.3.4分离式电解液 65
参考文献 67

第4章 锌基电池
4.1基于电化学转化反应机理的锌基电池体系 72
4.1.1电化学反应基础 72
4.1.2锌锰电池及正极材料 73
4.1.3锌镍电池及正极材料 79
4.1.4锌银电池及正极材料 82
4.2基于电化学催化反应的锌基电池体系 87
4.2.1锌空气电池及正极材料 87
4.2.2锌碘 硫电池及正极材料 96
4.3基于插层反应的锌基电池体系 98
4.3.1锌离子电池工作原理 98
4.3.2锌离子电池钒基正极材料 99
4.3.3其他过渡金属化合物正极材料 104
4.3.4有机化合物正极材料 111
4.4基于电容性吸附反应原理的锌基电池体系 112
4.4.1锌离子混合超级电容器工作原理 112
4.4.2锌离子电容器电极材料 112
4.5基于混合机理的新型锌基电池体系 115
4.5.1锌镍-锌空混合体系 115
4.5.2锌银-锌空混合体系 116
4.5.3锌离子电容器-锌空混合体系 118
参考文献 118

第5章 水系锌基电池结构及封装
5.1电池封装结构的概念及重要性 125
5.2传统二次电池的封装结构 126
5.2.1圆柱电池 127
5.2.2方形硬壳电池 127
5.2.3软包电池 128
5.2.4三种电池封装结构的优劣对比 129
5.3新型水系锌基电池的封装结构 130
5.3.1方形电池封装结构 130
5.3.2柔性电池封装结构 133
参考文献 137

第6章 水系锌基电池未来发展方向和挑战
6.1真实电池性能的科学考量 140
6.2核心材料的研发 142
6.2.1锌负极材料 142
6.2.2正极材料 143
6.2.3水系电解质 144
6.3基于应用场景要求的电池综合性能 146
6.3.1成本 146
6.3.2机械性能 146
6.3.3安全性 147
参考文献 148