近日，物创海河实验室、天津大学杨全红/翁哲/韩大量团队系统总结了耐久水系锌离子电池中的“水管理”策略。文章指出，H₂O具有典型“双刃剑”效应：一方面赋予水系电池高安全性、低成本、快速离子传输及优异反应动力学；另一方面，其高反应活性会诱发析氢/析氧、Zn腐蚀与枝晶生长、正极溶解及副产物积累，严重制约循环稳定性。围绕上述问题，作者构建了涵盖电解液调控、电极与界面工程、功能辅助材料及器件架构四个维度的水管理框架，通过调节H₂O含量和活度、重构Zn²⁺溶剂化结构与氢键网络、构筑稳定界面及优化水的空间分布，实现对水相关副反应的精准抑制。文章进一步提出，未来应结合原位表征、理论计算和人工智能，推动水管理由单一材料改性向多尺度协同和智能调控发展。相关成果以“Water Management Toward Durable Aqueous Zinc Ion Batteries”为题发表于Advanced Materials。

以下内容转自《储能科学与技术》

【工作要点】

1. 构建了H₂O物理化学行为的理论框架：从静电势、Zn²⁺溶剂化壳层（SSIP→CIP→AGG构型转变）、电解液各组分相互作用、Pourbaix图与电化学稳定窗口、Grotthuss质子链传输到温度驱动的氢键网络演变，为理解水在AZIBs中的多重影响奠定理论基础。

2. 辩证阐明水的双重性：正面效应包括优于有机电解液的离子电导率、促进Zn²⁺脱嵌迁移、H⁺嵌入带来额外可逆容量与优异倍率、水/水合Zn²⁺作为“支柱”扩大层间距并降低去溶剂化能、优化键合类型与正极电子结构、调控相变优化离子通道；负面效应包括Zn负极的HER/腐蚀/钝化/枝晶、电解液侧的窄电压窗口/强溶剂化/耐温性差、正极侧的活性材料溶出与副产物积累。

3. 系统梳理四维水管理策略体系：电解液维度涵盖HCE/LHCE/HOE（重建溶剂化结构、降低水活度）、功能化添加剂（氢键网络重构抑制HER/OER、电场响应“离子阀”）、水凝胶电解质（限制自由水、维持界面接触）及反胶束/自适配/相分离固态等新型电解液；电极/界面维度涵盖外延沉积、晶面与掺杂工程、SEI/CEI双侧协同；辅材维度涵盖磺化纤维素隔膜、功能涂层与水兼容粘结剂；器件维度涵盖pH解耦正负极环境定制与开放式架构的主动排气补液。

4. 绘制产业化路线图：功能化添加剂体系在不大幅牺牲综合性能的前提下实现高效水管理，是极具前景的电解液范式；未来应融合实验电化学、分子模拟与数据驱动模型，建立“组成–结构–水行为–性能”定量关系，发展刺激响应界面化学与器件级架构创新，跨越从实验室到工业规模部署的鸿沟。

图1 AZIBs中H₂O分子的多样物理状态与空间分布及其对电池综合性能的“双刃剑”式双重影响：有利方面保障本征安全、快速体相离子传输、超快H⁺耦合反应动力学、高效Zn²⁺溶剂化并结构稳定正极晶格；不利方面驱动HER/OER、诱发Zn腐蚀与枝晶增殖、绝缘副产物积累、电解液快速消耗并加速正极活性材料溶出。

图2 AZIBs中H₂O的基本特征：(a) H2O静电势示意；(b) 水系电解液中Zn²⁺周围不同状态H2O示意；(c) Zn²⁺溶剂化壳层示意（溶剂分离离子对SSIP、接触离子对CIP与聚集体AGG）；(d) 电解液主要组分间相互作用示意；(e) H₂O的Pourbaix图；(f) 水系电池电化学稳定窗口示意；(g) H⁺沿H₂O链的Grotthuss传输机制；(h) 不同温度下氢键网络演变示意。

图3 H₂O在AZIBs中的有益效应：(a) 相对有机电解液的优异离子电导率；(b) 促进Zn²⁺嵌入/脱出与迁移；(c) 促进H⁺嵌入带来额外可逆容量与优异倍率性能；(d) H₂O或水合Zn²⁺作为“支柱”扩大层间距、降低去溶剂化能并增强电荷屏蔽；(e) 优化键合类型以削弱强静电相互作用、促进电荷转移；(f) 优化正极电子结构以增强氧化还原活性；(g) H₂O调控相变过程优化离子传输通道。

图4 H₂O在AZIBs中的有害效应：(a) Zn负极侧——HER、腐蚀、界面钝化与Zn枝晶生长；(b) 电解液侧——窄电化学稳定窗口、强Zn2+溶剂化与差的耐温性；(c) 正极侧——活性材料溶出、局部pH波动导致不可逆副产物积累、静电相互作用受扰引发的结构失稳。

图5 AZIBs中各类水管理策略的对比评估（覆盖电解液、电极、辅材与器件四个维度策略的效果、成本与可扩展性比较）。

图6 AZIBs多维度水管理策略与未来展望的示意（涵盖电解液设计、电极/界面工程、辅助材料优化与器件架构创新的协同发展路线）。

【结论】

得益于水性电解液本征不可燃、低成本、环境友好与优异离子电导率等优势，AZIBs已在下一代储能体系中展现出独特竞争力。然而，H2O分子在AZIBs中同样表现出确定的“双刃剑”效应——高反应活性的H2O触发HER、腐蚀、Zn枝晶生长与正极溶出等一连串有害副反应，严重损害电池稳定性。本综述系统阐明了AZIBs中H2O的基本物理化学性质，辩证分析了其双重性，并讨论了电解液、电极、辅助材料与器件架构四个关键维度上水管理的前沿进展。以水管理为核心视角，探讨了其在抑制水致副反应、增强电池稳定性中的关键作用，最后描绘了未来研究方向与前瞻性展望：电解液的合理设计（调控H2O状态、降低水含量与活度、重构Zn2+溶剂化结构、优化界面水反应动力学；鉴于HCE/LHCE/HOE受制于成本与动力学、凝胶/固态电解质受制于界面接触与离子电导率，功能化添加剂体系是最具前景的范式）；跨学科电解液设计（借鉴胶体化学、地质学、生物学）；融合实验电化学、分子模拟与数据驱动模型建立定量构效关系；发展可响应水合/电场/pH/离子浓度变化而捕获或释放界面H2O的刺激响应化学；以及解耦/开放式器件架构的深度创新——共同构成迈向耐用型AZIBs产业化部署的路线图。