1.Ni-3D Zn 電池
美國海軍研究實驗室（NRL）的Debra R. Rolison等人研發了一種新型的Ni-3D Zn電池，這種電池以NiOOH為正極以及具有三維多孔海綿結構的鋅單質作為負極實現放電過程。在提供相同能量的前提下，Ni-3D Zn電池相比於其它電池具有更高的比能與能量密度，與此同時質量更輕，在電動自行車、啟停微混合系統（start-stop microhybrid）以及電動汽車的測試中均取得了理想的效果。這一結果發表於Science上。該電池的原電池反應過程如下圖所示，放電過程中負極的鋅單質失去電子，與鹼性電解液作用後脫水沉積形成氧化鋅；正極的NiOOH得到電子形成Ni(OH)2構成電池迴路。他們選擇了6 M的KOH與1 M的LiOH水溶液與Ca(OH)2混合作為電解液，其中LiOH可以抑制O2產生，由此提高NiOOH的可氧化再生；Ca(OH)2促使Zn(OH)42-達到過飽和狀態，進而發生脫水沉積。與此同時，電池的負極預摻雜微量的金屬銦與鉍可以抑制反應過程中H2的產生，從而提高電池的充放電的循環效率。文章：Rechargeable nickel–3D zinc batteries: An energy-dense, safer alternative to lithium-ion, Science, 2017, 356, 415, DOI: 10.1126/science.aak9991
2.柔性鋅離子電池
香港城市大學的支春義教授（點擊查看介紹）課題組在Energy & Environmental Science 上發表文章，巧妙地在天然生物高分子材料明膠上接枝吸水性的聚丙烯酰胺（PAM）、加入無機鹽，並與二維多孔電紡聚丙烯腈（PAN）膜複合，得到一種高導離子率、高保液性和高耐鹽性的多層次聚合物電解質。研究中測得這種聚合物電解質的離子導電率高達17.6×10−3S•cm−1，遠高於此前文獻中報道的鋅離子聚合物電解質。同時，他們利用高導電碳納米管薄膜作為集流體的柔性二氧化錳正極和柔性鋅負極，製備了一種安全性和循環性能優異的柔性鋅離子電池。組裝的柔性鋅離子電池放電比容量高達306 mAh•g-1，面積比能量密度達6.18 mWh•cm−2，並表現出優異的循環穩定性，經過1000次充放電循環後仍保持最初容量的97%。同時，得益於柔性的電極和聚合物電解質設計，加上水系電池安全性的優勢，該電池表現出超高的柔韌性和抗破壞性，在反覆彎折、扭曲、錘擊，甚至一些極端的情況下，例如火燒、浸水、水洗、鑽孔後仍可以保持穩定的電化學性能，表現出良好的可靠性和安全性。製備的柔性鋅離子電池串聯之後還可以穩定地為商業化的智能手錶、心率傳感器和智能鞋墊提供能量，表現出廣闊的應用前景。
論文：Hongfei Li, Cuiping Han, Yan Huang, Yang Huang, Minshen Zhu, Zengxia Pei, Qi Xue, Zifeng Wang, Zhuoxin Liu, Zijie Tang, Yukun Wang, Feiyu Kang, Baohua Li, Chunyi Zhi, An extremely safe and wearable solid-state zinc ion battery based on a hierarchical structured polymer electrolyte，Energy Environ. Sci., 2018, DOI: 10.1039/C7EE03232C
3.Zn//VS2電池
水系可充電電池因其安全、成本低、能量密度高、環境友好等優點在大規模儲能中有極大的應用前景。傳統的鎳氫、鎳鉻、鹼性鋅錳水系電池能量密度低，循環性能差，難以滿足市場的需求。因此，設計構築高性能水系電池具有重要意義。鋅資源豐富，價格低廉，在水溶液中較為穩定，近年來鋅離子電池引起人們廣泛的關注。然而，已報導的適合鋅離子脫嵌的電極材料非常有限，設計高性能、長壽命的鋅離子電池電極材料是很多科研工作者的研究重點。武漢理工大學麥立強教授團隊利用VS2高電導以及大層間距的特點，首次設計構築高性能的Zn//VS2電池。這種鋅離子電池具有高能量密度和長循環壽命。在小電流密度0.05 A•g-1下具有190.3 mA•h•g-1的容量，大電流密度0.5 A•g-1下200次循環後仍具有112.3 mA•h•g-1的容量。通過原位拉曼光譜、非原位XRD和TEM研究表明鋅離子可在VS2層間進行可逆的分級脫嵌。該工作表明層狀VS2材料是一種很有潛力的可充電水系鋅離子電池電極材料。這一成果近期發表在
Advanced energy Materials 上，文章的第一作者是武漢理工大學大學碩士研究生何攀和博士研究生晏夢雨。Pan He, Mengyu Yan, Guobin Zhang, Ruimin Sun, Lineng Chen, Qinyou An,* and Liqiang Mai*Layered VS2Nanosheet-Based Aqueous Zn Ion Battery Cathode, Adv. Energy Mater., 2017, DOI: 10.1002/aenm.201601920
4.陽離子缺陷型尖晶石ZnMn2O4正極材料
南開大學程方益課題組設計製備了陽離子缺陷型尖晶石ZnMn2O4正極材料和大陰離子型三氟甲烷磺酸鋅[Zn(CF3SO3)2]電解液，將二者應用於水系鋅離子電池體系中顯示了優良的循環性能。在正極材料方面，通過該課題組前期發展的一種氨水輔助的氧化沉澱-嵌入晶化的策略（Nat. Commun., 2015, 6, 7345）成功製備了導電碳負載的鋅錳氧尖晶石正極材料。這種材料具有豐富的陽離子缺陷，顆粒尺寸約為15 nm，均勻負載於導電碳基質中，其結構和形貌特點可以降低Zn離子在尖晶石結構中的脫嵌能壘和電荷轉移阻抗。在電解液設計方面，對比研究了ZnSO4、Zn(NO3)2、ZnCl2和Zn(CF3SO3)2四種水系電解液，結果顯示Zn(CF3SO3)2具備優異的Zn沉積/析出動力學和接近100%庫倫效率，並且一定程度上抑制了Mn溶解。此外，通過提高Zn(CF3SO3)2電解液濃度可有效減弱Zn離子的溶劑化效應，降低水分解等副反應，將電化學反應窗口擴大至2.5 V（vs. Zn2+/Zn）。優化電解液後，陽離子缺陷型ZnMn2O4正極材料可逆容量達150mAh/g（電流密度50 mA g-1）；在500 mA g-1電流密度下充放電循環500周後容量保持率高達94%。該團隊還結合X射線粉末衍射、拉曼和紅外光譜、同步輻射X射線近邊吸收譜、固體核磁等技術，闡述了正極材料的充放電機理，即在充放電過程中，Zn離子在尖晶石結構中的四面體間隙可逆地脫出和嵌入，伴隨著Mn價態的升高和降低。該工作為可充水系鋅電池正極材料和電解液的開發提供了新思路。
論文：Ning Zhang, Fangyi Cheng, Yongchang Liu, Qing Zhao, Kaixiang Lei, Chengcheng Chen, Xiaosong Liu, Jun Chen， J. Am. Chem. Soc.（DOI: 10.1021/jacs.6b05958）
5.水系鋅碘電池
李彬博士（通訊作者）與劉俊博士（通訊作者）及其團隊受到目前研究比較廣泛的鋰硫電池的啟發 ，提出了一種靜態水系鋅碘電池，在電池中沒有采用離子交換膜避免自放電，而且在充電的過程中保證最終的產物是碘單質。由於在充放電的過程中碘具有可溶性，陰極雖借鑑鋰硫電池使用多孔活性炭吸附碘（I2）以及其中間產物（I3-），但要提高其容量及穩定性是遠遠不夠的。作者通過DFT模擬計算提出，要保證固態碘及其中間產物在充放電的過程中一直留在電極上、不溶於溶劑，關鍵是有效調控碘的固液轉化反應。簡單來說，碘以及其中間產物被碳電極吸附和溶劑溶解存在競爭關係。這一理論在後續的實驗中得到證實，從而有效提高了電池的性能。研究發現，（1）碘基水系電池比其非水系電池更具有優勢，電池在充電狀態下停止48小時，幾乎沒有容量損失；（2）調節水系電解液的量與電極上碘的含量比可以提高碘的利用率和電池的容量；（3）電極孔徑的減小會加強碘及其中間產物在電極表面的吸附，提高電池的庫侖比；（4）電極（碳）表面的含氧官能團通過Zn-O鍵可以增強I3-的吸附。通過優化，這種靜態水系無膜鋅碘電池的容量可以達到174.4 mAh•g-1@ 1C，庫侖比接近100%，並且循環3000圈後容量損失不到10%。
6.可充電鋅空氣電池
澳大利亞悉尼大學和新加坡南洋理工大學的化學工程研究人員開發了一種可充電鋅空氣電池，這種電池將來或許可以取代鋰離子電池，用於智能手機等電子設備中。相關研究報告已發表於國際領先的學術雜誌《先進材料》（Advanced Materials）上。該研究報告的第一作者Yuan Chen教授稱，以前，鋅空氣電池常常需要與一些昂貴的金屬催化劑如鉑和氧化銥一起使用。因此，這種電池僅應用到了一小部分電子設備中，如助聽器和鐵路信號系統。現在，新的技術開始採用高性能、低成本的催化劑。這些催化劑是用鐵、鈷和鎳等金屬氧化物結晶而成的。鋅空氣電池的儲電量是鋰離子電池的五倍，而且更安全、更環保。文章：L. Wei, H. E. Karahan, S. Zhai, H. Liu, X. Chen, Z. Zhou, Y. Lei, Z. Liu, Y. Chen, Adv. Mater.2017, 29, 1701410. https://doi.org/10.1002/adma.201701410
7.硫氧化鈷納米顆粒修飾的石墨烯複合催化劑用於鋅空氣電池
加拿大滑鐵盧大學應用納米材料與清潔能源實驗室的陳忠偉 教授（點擊查看介紹）團隊多年來致力於可充電鋅空氣電池的材料和系統研究。近期，他們報道了一種新穎的雙功能複合電催化劑改性的方法，能夠同時提高催化劑的本徵活性、穩定性和催化劑載體的傳質特性。研究人員通過該方法制備出硫氧化鈷納米顆粒修飾的石墨烯網複合催化劑，該催化劑富含催化活性“缺陷”，可使鋅空氣電池具有更高的能量密度、功率密度、能量效率以及循環壽命。這一成果發表在Advanced Materials 上，論文的第一作者是滑鐵盧大學化學工程系的博士研究生傅婧。研究人員首先通過低溫溶劑熱反應合成無定型的硫氧化鈷納米顆粒修飾的石墨烯前驅體，然後進一步利用700 ℃的氨氣處理將由硫化鈷核心和氧殼組成的前體核-殼納米顆粒轉化為單固相富含氧空位的硫氧化鈷納米顆粒。與此同時，石墨烯也轉化為多孔氮摻雜的石墨烯納米網。與傳統的無孔石墨烯相比，氮摻雜的石墨烯納米網通過鈷和氮之間的共價鍵提供與納米顆粒的緊密接觸，併為涉及氧還原反應和析氧反應的反應物和中間體提供更短的擴散通道。該催化劑在水中具有高度的分散性，過濾後可以得到獨立的催化劑膜，並直接用於鋅空氣電池。通過電化學測試，這種新型的催化劑表現出優異的電催化活性以及穩定的循環性能，表現甚至優於商品化的Pt/C和Ir/C等貴金屬催化劑。組裝的鋅空氣電池可達到857.9 Wh•kg-1的能量密度和大於61%的能量效率。
論文：Jing Fu, Fathy Hassan, Cheng Zhong, Jun Lu, Han Liu, Aiping Yu, Zhongwei Chen, Defect Engineering of Chalcogen-Tailored Oxygen Electrocatalysts for Rechargeable Quasi-Solid-State Zinc–Air Batteries, Adv. Mater., 2017, 29, 1702526, DOI: 10.1002/adma.201702526
8.水系鹼性鎳-鋅二次電池
武漢理工大學劉金平教授（點擊查看介紹）課題組與
新加坡國立大學Cao Guan博士合作，系統研究了水系鹼性鎳-鋅二次電池的性能提高和柔性化。首先，針對水系鎳-鋅電池在循環過程中極易形成鋅枝晶的科學問題，通過引入三維分級碳纖維納米陣列集流體結構，促進了電流的均勻分佈，減小了有效電流密度，保證了鋅的均勻沉積，從而抑制了枝晶生長的問題，將電池循環壽命從通常的幾百次提升到近三千次，提高了穩定性；進一步通過引入柔性碳集流體和聚合物凝膠電解質，成功構築了~1.8 V的高電壓柔性鎳-鋅電池，獲得了高的能量密度（355.7 Wh kg-1; 10.67 mWh cm-3）和功率密度（17.90 kW kg-1; 0.54 W cm-3），優於先前報道的大多數水系柔性電化學儲能器件。能量密度的提升主要得益於納米活性材料的高效電化學利用（導致高的比容量）以及體系的高電壓；而三維納米陣列電極結構保證了電解質與活性材料的充分接觸，降低了界面電阻，使得倍率性能和功率密度有了質的提高。獲得的柔性鎳-鋅電池還可在多類形變下正常工作，為高性能柔性儲能器件家族增添了新成員，也為其它水系電池的柔性化提供了科學的參考。Jinping Liu, Cao Guan, Cheng Zhou, Zhen Fan, Qingqing Ke, Guozhen Zhang, Chang Liu, John Wang, A Flexible Quasi-Solid-State Nickel–Zinc Battery with High Energy and Power Densities Based on 3D Electrode Design, Adv. Mater., 2016, 28, 8732-8739, DOI: 10.1002/adma.201603038
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