在全球动力结构转型与“双碳”方针深化推动的背景下，大规模储能技术已成为支撑高份额可再生动力消纳和智能电网安稳运转的要害环节。水系锌离子电池（AZIBs）仰仗实质安全（选用不可燃水系电解液）、环境友好（无有毒有机溶剂）、本钱低（锌价格约1.7美元/kg）与较高的理论容量（锌金属负极比容量为820 mAh/g）等优势^［1］，被认为是最具规模化应用潜力的电化学储能技术之一。与锂离子电池比较，AZIBs无需严厉的干燥环境控制，出产本钱可进一步下降，特别适用于电网储能、后备电源、可穿戴设备等对安全性与经济性要求较高的运用场景。

虽然实验室级电池材料及技术的研讨已取得显着展开，安时级AZIBs技术的开发仍面临三大要害技术应战：①锌负极界面安稳性差，在高放电深度（DOD）条件下易发生枝晶生长、析氢反应（HER）和腐蚀等问题；②正极材料结构退化显着，如钒基或锰基材料在长循环过程中出现溶解与相变；③电解液适用性有限，特别在低温环境下易发生冻结，导致离子电导率急剧下降^［2］。这些问题严峻束缚了安时级AZIBs的循环寿数，现在广泛难以打破1 000次，远低于商业化储能体系要求（逾越3 000次），成为产业化展开的首要瓶颈。

本文作者环绕安时级水系锌离子电池（Ah-level AZIBs）的商业化要害技术问题，从中心材料（包括正极、负极、电解液等要害材料）、电池功用评价及场景验证等3个维度，整理和评述研讨展开，并针对能量密度、长循环及极点工况适应性瓶颈，提出材料-工艺-办理协同处理途径，为实验室走向规模化运用供应理论依据和技术支撑。

1 Ah级电池正极材料研讨展开

在安时级水系锌离子电池技术的展开中，正极材料的工程化运用打破具有决定性意义。正极材料直接束缚电池的能量密度、循环寿数等中心功用指标。理想的正极材料应兼具高比容量、高作业电压、优异的结构安稳性以及与水系电解液的出色相容性。通过组成规划、结构调控与描摹优化（如元素掺杂、复合材料构建等手法），可显着增强正极材料的电子导电性、Zn²⁺松散速率及耐蚀性，然后全面进步电池概括功用，推动产业化进程迈向新阶段。

1.1 钒基正极材料

钒基材料因多种价态（V⁵⁺、V⁴⁺、V³⁺、V²⁺），可发生多电子转移反应，通常表现出较高的比容量。层状钒氧化物（如V₂O₅、VO₂、NH₄V₄O₁₀等）因高比容量（大于300 mAh/g）和可调控层间距已成为干流正极材料^［3］。可是，在Zn²⁺重复嵌脱过程中易发生结构崩塌、钒溶解、电子电导率低及pH敏感性等问题，束缚了实践运用。可凭借界面修饰、元素掺杂和电解液优化等战略予以改善^［4-5］。Liu等^［6］开宣布具有一维链状结构的氧化钒（AOH-VO）材料，其无序原子/分子级孔隙构成了分级离子通道，显着下降了Zn²⁺松散能垒。依据该正极组装的软包装电池在2 A/g电流和0.2~1.8 V电压下，稳态容量达2.04 Ah，约为0.1 A/g下的81.3%，可在9.5 min内充电至81.3%容量，并以2 A/g电流在0.2~1.8 V循环5 000次后，仍坚持90.7%的容量。Song等^［7］通过3-巯基-1-丙磺酸钠（PMS）添加剂在锌负极和NH₄V₄O₁₀正极表面的定向吸附，构筑梯度界面层，进步电极界面安稳性。所组装的1.2 Ah软包装电池（11 cm × 9 cm）以3 mA/cm²在0.4~1.4 V循环150次后，容量坚持率达84%，面积比容量为6 mAh/cm²。Song等^［8］选用醇基分子偶联法（AMC）克制系列钒氧化物（V₂O₅、VO₂、V₆O₁₃）溶解并诱导构成短程有序非晶结构，制备短程有序无定形结构的钒氧化物/异丙醇耦合物（SOA-VO/IPR）正极。以此组装的7 cm × 7 cm软包装电池在0.1 A/g、0.2~1.6 V下表现出1.18 Ah的均匀放电比容量，并可实践点亮发光二极管（LED）灯具。

1.2 锰基正极材料

作为AZIBs的抢手正极材料，锰基化合物具有资源丰富、环境友好、作业电压高级优势。锰基化合物可规划为不同晶型（如α-， β-， γ-， δ-MnO₂）和结构（层状或尖晶石），一同锰存在多种价态（Mn²⁺/Mn³⁺/Mn⁴⁺），供应高能量密度。可是，锰基材料仍面临溶解、结构退化及Zn²⁺固相松散缓慢等问题，束缚规模化运用^［9］。Lai等^［10］提出在商用MnO₂表面原位构建正极-电解质界面，通过在ZnSO₄+MnSO₄（ZS）电解液中引入邻苯二甲酸二辛酯（DOP）作为疏水有机界面，有用克制电解液腐蚀，依据此组装的软包装电池完结约2.5 Ah的可逆容量，并运用于无人机动力及光伏储能体系，可为手机等设备供电。Cao等^［11］选用压印与梯度结构规划，开宣布兼具导电与亲水梯度特性的聚偏二氟乙烯（PVDF）-Sn@Zn电极，并完结组装的MnO₂@C//PVDF-Sn@Zn大面积软包装电池以2 A/g电流在0.8~1.8 V循环250次后，容量坚持率达65.5%。Zhao等^［12］运用超液膜反应器（SLMR）与铋离子改性制备Bi掺杂MnO₂（Bi-MMO）。以此组装的柔性软包装电池以0.5 A/g电流在0.8~1.8 V循环500次，容量坚持率达92.3%，可驱动小型电风扇，两节串联后可点亮LED灯具。

1.3 碘基材料

碘基材料作为AZIBs正极，具备高理论容量（约211 mAh/g）、较高氧化恢复电位［约0.54 V （vs. SHE）］和快速反应动力学等优势，一同资源丰富且环境友好，也适用于大规模储能，近年来遭到广泛的注重。可是，碘正极面临活性物质溶解、多碘化物络绎导致的自放电和低库仑功率、导电性差需依靠碳载体以及对集流体的腐蚀等问题，束缚了循环安稳性^［13］。Zhao等^［14］通过构建有机/无机双相固体电解质相界面（SEI），完结了Zn/I₂电池在-30 ℃下仍可供应201.9 mAh/g的比容量。此外，0.1 Ah级Zn/I₂软包装电池在负极/正极容量比（N/P比）为1.5条件下安稳循环113次，比能量达122.1 W·h/kg。Wu等^［15］提出干法电极制备与电解质界面调控协同战略，显着进步了Zn-I₂电池的安稳性。所开发的Ah级软包装电池在53.3% DOD和1 C倍率在0.8~1.6 V循环750次后，容量坚持率达88.6%。Cao等^［16］通过将含负电N位点的三嗪共价有机结构（TFB-TAPT）掺入芳纶纳米纤维水凝胶中，原位组成了一品种皮肤准固态电解质（skin-QSSE），制备Zn-I₂软包装电池。在0.6~1.6 V充放电，0.5 C下的初次比容量为119.0 mAh/g，第300次循环时的库仑功率达99.9%，显示出优异的碘固定才干。

1.4 其他正极材料

有机正极材料在AZIBs中具有环境友好、本钱低、结构可调性强、理论比容量高（如醌类达200~500 mAh/g）和柔韧性好等长处，适宜柔性储能器件^［17］。但导电性差、易发生溶解、体积能量密度较低，且部分材料氧化恢复电位偏低，束缚了输出电压和循环安稳性，需通过聚合、复合化等手法进步实用性^［18-19］。Lin等^［20］规划了一种非平面结构的对苯二醌（BQ）正极材料，依据苯环联接3个BQ单元扩展分子骨架，装配的软包电池以100 A/g在0.1~1.8 V充放电，初次比容量为200 mAh/g，循环150 000次后，仍保有160 mAh/g比容量。

普鲁士蓝类似物（PBAs）仰仗敞开结构结构、高作业电压（1.0~1.8 V）、循环安稳及低本钱等优势遭到注重，但理论容量较低（60~100 mAh/g）、［Fe（CN）₆］空位导致副反应和导电性差束缚了运用^［21-22］。通过空位调控（低温组成）、复合导电材料（如碳包覆）和电解液优化（如高浓度盐）可部分改善功用^［23］。Yang等^［24］通过一锅共沉淀法构建了钒基普鲁士蓝类似物（V-PBA）包裹M-PBAs（M=Co， Cu， Zn）异质结构，依据V-PBA包裹Mn-PBAs异质结构（VMn-PBAs）的AZIBs以1 A/g电流在0.2~2.0 V循环1 000次后，容量坚持率达73%，软包装电池以相同电流循环200次后，仍坚持80%容量。

聚阴离子化合物如磷酸盐［Na₃V₂（PO₄）₃］和硫酸盐［ZnFe（SO₄）₂］具有高电压（1.5~2.0 V）和安稳结构，循环寿数长（逾越2 000次），但导电性差、理论容量低（80~120 mAh/g），且组成凌乱、本钱较高^［25-26］。Guan等^［27］选用微波水热-煅烧法制备了Na₃V₂（PO₄）₂F₃@氧化石墨烯（rGO）复合材料，软包装电池以5 C倍率在0.4~1.9 V循环600次，仍供应73.6 mAh/g容量，并可驱动智能手机，展现出必定运用潜力。可是，现在PBA与聚阴离子材料没有完结Ah级AZIBs运用，未来需选用多标准结构规划、新氧化恢复体系及界面调控，加快其在实用性器件中的功用验证。

不同正极材料在Ah级水系锌离子电池器件中功用比照见表1。

表1  不同正极材料在Ah级水系锌离子电池器件中功用比照
Table 1  Performance comparison of different cathode materials in Ah-scale aqueous zinc-ion batteries

正极材料	扣式电池比容量 / mAh g-1	Ah级电池容量 / Ah	循环寿数 / 次	容量坚持率 / %	参考文献
AOH-VO	450 (1 A/g) 150 (100 A/g)	2.04 (2 A/g)	5 000	90.7	[6]
NH4V4O10	250 (1 A/g) 170 (5 A/g)	1.2 (0.12 A/g)	150	84	[7]
MnO2@C	150 (1 A/g) 80 (3 A/g)	2.5 (0.025 A/g)	40	90	[10]
I2@活性炭 (AC)	190 (0.1 A/g) 180 (0.5 A/g)	0.1 (0.1 A/g)	120	83.3	[14]
ZnI2@AC	160 (0.5 A/g) 140 (1.0 A/g )	0.8 (1 A/g)	700	88.6	[15]
VMn-PBAs	80 (0.2 A/g) 70 (1.0 A/g)	≈8 (1 A/g)	200	80	[24]
Na3V2(PO4)2F3@rGO	125 (1 A/g) 50 (10 A/g)	≈10 (5 A/g)	600	90	[27]

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2 负极界面修饰战略

在Ah级水系锌离子电池中，锌负极深度循环防护面临许多应战。锌负极在充放电过程中易因枝晶生长、电极钝化、电解液分化等问题导致循环寿数缩短。要害在于对锌负极表面进行合理改性，如选用掺杂、涂层等办法，增强导电性和安稳性，克制枝晶构成。一同，优化电解液成分，引入添加剂改善锌负极与电解液的相容性，减少副反应。此外，构建三维结构的锌负极载体，增大比表面积，进步锌离子传输速率和均匀性，然后进步锌负极在深度循环中的功用和寿数，为水系锌离子电池的商业化运用供应有力保障。

界面工程（表面修饰）通过调控锌负极表面化学和物理性质，显着进步安稳性：（1）克制枝晶—亲锌性修饰层［如Ag/二维过渡金属化合物（MXene）］下降成核过电位，引导Zn²⁺均匀堆积，而高机械强度涂层（如ZnF₂、Al₂O₃）物理阻挠枝晶穿透；（2）克制副反应—疏水/细密保护层（如碳膜、聚合物）隔绝电解液接触，减少析氢和腐蚀；（3）安稳界面—人工SEI层［如Zn₃（PO₄）₂］固定界面结构，缓解体积改变。当时研讨已广泛选用通过原位生成（电解液添加剂）或非原位构建办法，完结界面离子通量均一化和化学惰性化，协同进步锌负极循环寿数与库仑功率^［28-29］。Ma等^［30］提出了一种电化学驱动的人工SEI战略，运用金属表面耦合剂磷酸酯作为锌负极的保护层，在循环过程中原位转化为富含均匀松散的Zn₃（PO₄）₂纳米晶体的混合相，然后确保均匀的Zn²⁺通量，克制枝晶生长并减少副反应，使锌电极在10 mA/cm²和1 mAh/cm²条件下完结了1 500 h的安稳堆积/剥离功用，且与NaV₃O₈·1.5H₂O组装的软包装电池完结了安时级容量，其优异的黏附性和柔韧性还使锌电极在多种苛刻条件下坚持出色功用。

3 电解液优化战略

电解液优化通过调控锌负极/电解液界面的化学环境和堆积动力学来进步锌负极安稳性：（1）调控溶剂化结构—高浓度电解质［如三氟甲烷磺酸锌（Zn（OTf）₂）］或添加剂（如有机溶剂乙酰胺）减少自在水分子，克制副反应（析氢、腐蚀）；（2）引导均匀堆积—金属离子（如In³⁺）优先恢复构成亲锌界面层，下降成核势垒，而有机分子［如聚乙二醇（PEG）］吸附在锌表面克制枝晶生长；（3）构建保护性SEI—含F^-/PO₄^3-的添加剂（如NaF、Na₃PO₄）原位生成细密ZnF₂/Zn₃（PO₄）₂层，阻断电解液腐蚀^［31-33］。Luo等^［34］将β-环糊精（CD）作为阴离子受体引入Zn（OTf）₂水系电解液中，能够显着优化Zn负极SEI结构，调理内亥姆霍兹结构，完结了均匀的锌堆积和克制枝晶的构成，完结Zn/Zn软包装电池（21 cm²标准）在10 mAh/cm²高面积比容量的条件下6 450 mAh/cm²的累积容量与Zn/Zn_xV₂O₅全电池在0.5 A/g下42 mAh/cm²的高初次比容量，并且在0.3~1.5 V循环100次后，具有90.6%的容量坚持率。

电解液优化不只能够进步锌负极的可逆性，关于正极结构的安稳相同至关重要。通过功用性添加剂对电解液进行精准调控，能够完结对正、负极界面的协同优化。例如，以N-乙酰丙酮吗啉（NHM）为例，该电解液添加剂不只使锌负极在60%高DOD下完结400 h安稳运转，循环寿数逾越3 800 h，库仑功率高达99.7%，更重要的是，匹配NH₄V₄O₁₀正极的全电池以4 A/g在0.4~1.4 V循环1 500次后，仍坚持80%的容量，即便在13.5 mg/cm²的高负载和2.63：1.00的低N/P比条件下，仍表现出优异的循环安稳性^［35］。这种协同效应显着克制了钒基、锰基等正极材料的活性离子溶出，并有助于在正极表面构成保护性正极电解质相界面（CEI）膜，然后坚持结构完整性，进步全电池在高压、高负载等苛刻工况下的长循环安稳性。因而，电解液工程是从体系层面一同处理负极与正极应战，完结高能量密度与长寿数实用型水系锌离子电池的有用途径。

4 定论与展望

水系锌离子电池要害材料近年已取得显着打破，为Ah级电池技术的展开奠定了坚实基础。未来，跟着要害材料的打破（如新式高电压正极、高可逆负极及宽电位电解质），其能量密度有望靠近传统有机电解液电池水平。一同，人工智能辅助材料选择、智能制作技术的引入将加快电池优化与规模化出产。在运用场景上，水系锌离子电池或将在电网储能、户用储能及低速电动车等领域首先完结商业化，并或许拓宽至可穿戴设备等柔性电子领域。此外，全球“碳中和”方针的推动将进一步推动水系电池的研制投入和商场运用，使其成为下一代绿色储能技术的重要选择。未来研讨方向包括：

（1） 高能量密度体系开发：通过新式正极材料（如有机聚合物、高熵氧化物）、优化锌负极（合金化、3D结构）及宽电压电解质（如凝胶、深共晶电解质），比能量有望打破150 W·h/kg，靠近磷酸铁锂锂离子电池水平。

（2） 超长循环寿数技术：结合人工界面层（如ZnF₂/碳复合SEI）、自适应电解质添加剂和智能充放电办理，循环寿数或进步至2 000次以上，满足工商业储能需求。

（3） 极点环境适应性：开发抗冻（-40 ℃）/耐高温（60 ℃）电解质体系，拓宽电池在户用储能、寒带电网等特殊场景的运用。

（4） 绿色智能制作：推动电极干法工艺、无隔膜规划和收回技术的产业化，进一步下降出产本钱。

跟着要害材料创新和工艺老练，水系锌离子电池或将成为亿级储能商场的新支柱，水系锌离子电池有望在电网储能、可穿戴设备及电动汽车等领域完结规模化运用，助力“双碳”方针到达。