Ah级水系锌离子软包电池的失效机制及实际优化

研究简介

水系锌离子电池（ZIB）正成为安全、低成本、环保的大规模储能系统的关键技术。尽管纽扣电池的研究取得了显著进展，但具有巨大实用潜力的软包电池的失效机制和设计策略仍相对缺乏研究。本综述旨在通过深入探讨水系锌离子软包电池的失效机制和实用优化来填补这一空白。文中对纽扣电池和软包电池的研究现状、衔接原理和结构差异进行了比较分析。文中系统地讨论了电极和器件的失效机制，包括与正极和负极相关的不稳定性，以及器件级失效，例如集流体和粘结剂的降解、界面失配以及封装引起的缺陷。文中还提出了面向实用性的安时级软包电池策略。最后，文中提出未来的研究应注重高负载和大面积设计、动力学性能的提升以及对极端工作条件的耐受性。本综述为Ah级水系锌离子软包电池技术提供了理论见解和实践指导，有望促进其在大规模储能系统中的应用。

图文导读

图1. 近期研究中纽扣式电池和 Ah 级软包电池的循环稳定性比较。

图2. 纽扣式和软包锌离子电池的统计分析。a) 饼图表示软包电池中使用的正极材料的统计分布。饼图说明 b) 纽扣电池和 c) 软包电池中使用的集流体的统计分布。d) 统计分析正极电流密度和正极负载之间的关系。e) 统计分析面电流密度和软包电池面积之间的关系。

图3. 软包电池整体电路构建流程。a)软包电池与纽扣电池的层级结构关系。b)面积增大对电路的影响。c)负载增大对电路的影响。

图4. 软包电池制备工艺的不均匀性。a) 纽扣电池与软包电池之间的压力差异。b) 软包电池厚度变化现象。c) 软包电池电极精确对位问题。d) 负载增加导致的电极不均匀性。

图5. 软包电池运行过程中的不均匀性。a) 不同区域或厚度反应不均匀。b) 不同区域温度差异。c) 气体积聚。d) 不同尺度应力不均匀

图6. 正极侧结构失效分析。a) 浆料失效机制。b) 电极脱落问题。c) 电极裂纹问题。

图7. 正极侧反应性失效分析。a）基于电压幅值的正极分类。b）高负载钒基正极中Zn2+的迁移过程。c）反应速率随电极厚度增加的变化。d）锰基电极表面与内部反应机理的差异。e）多种抑制因素对性能的影响。f）高压正极的失效问题。

图8. 基于电场的锌负极失效分析。电场线分布的差异由以下因素引起：a) 电池极耳；b) 厚度；c) 压力；d) 微曲率；e) 气泡。

图9. 设备规模故障机制分析。a) 集流体退化。b) 粘合剂退化。c) 电极/电解液兼容性故障。d) 袋结构引起的故障。

图10.正极侧相应的解决策略。a）优化厚电极中的离子传输。b）控制大面积电极的均匀性。c）增强高负载和大面积条件下的机械稳定性。d）在高面积容量和低E/C比下保持电化学稳定性。

图11. 负极侧相应的解决策略。

图12. 针对Ah级软包电池的设备规模工程策略。a) 缓解集流体退化；b) 缓解粘结剂故障；c) 优化电极/电解液兼容性；d) 预防软包结构引起的故障。

图13. 水系锌离子软包电池的未来前景。