AEM：电化学锌离子电容器：基本原理、材料和系统

兔兔

2021-04-23

电化学锌离子电容器（ZIC）是一种由多孔碳正极和锌负极组成的混合超级电容器。基于碳和锌金属的低成本特性，ZIC是安全、高功率、低成本储能应用的潜在候选者。近年来，ZIC得到了极大的关注，但是，低能量密度和有限的循环稳定性仍然是开发高性能ZIC的主要挑战。有鉴于此，阿卜杜拉国王科技大学Husam N. Alshareef等人综述了近年来ZIC的研究进展，并强调了这一新兴储能技术的前景和挑战。

本文要点：

1）概述了ZIC的主要挑战，首先，ZIC的能量密度受到多孔碳正极低电容的限制。其次，水系电解质会引起副反应，导致ZIC的电压窗口受限，循环性能较差。第三，锌负极的差稳定性和低利用率仍然是开发实用ZIC的主要挑战。

2）与锌负极相比，多孔碳正极通过EDLC和赝电容效应存储的电荷更少。为了实现高电容的多孔碳正极，需要对多孔结构进行巧妙设计，以确保多孔碳与电解质离子的相容性。此外，通过引入氧化还原活性杂原子、导电聚合物、有机分子和金属氧化物可以获得赝电容。先进的电容性正极，例如MXene，磷烯和TiN也有望用于高性能ZIC。

3）与增加电容相比，增加电压更有利于实现ZIC的高能量密度。水系电解质的电压窗口受到诸如HER之类的寄生反应限制。因此，具有较高稳定性的电解质可以通过抑制寄生反应提供更宽的电压窗口。盐包水（WIS）电解质通过限制水分子和防止寄生反应提供宽电压窗口。虽然目前研究的锌离子WIS电解质较少，但未来ZIC电解质的研究可以借鉴碱性金属离子的WIS电解质。优化WIS电解质的水含量可以平衡电导率和稳定性。有机和离子液体电解质可以提供高达4 V的宽电压窗口。这些非水系电解质也有利于ZIC的高循环稳定性。

4）由于锌枝晶的生长，锌负极的循环性能不如多孔碳正极。三维结构设计、离子分布器和人工固体电解质界面层可以抑制锌枝晶的生长。3D形状锌度极的制备可以通过增大电化学活性表面积来降低局部电流密度，从而抑制锌枝晶的生长；但这增加了锌负极的投资成本。3D打印技术是实现大规模生产3D形锌负极的一种低成本、可靠方法。

5）与水系对称EDLC超级电容器相比，水系非对称ZIC具有宽得多的电压窗口，更高的能量密度和更高的功率输出。更重要的是，与某些成熟的EES设备相比，ZIC的投资成本可能较低。

Jian Yin et al. Electrochemical Zinc Ion Capacitors: Fundamentals, Materials, and Systems. Adv. Energy Mater. 2021, 2100201.

DOI: 10.1002/aenm.202100201.

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/aenm.202100201