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Discover蓄电池水系锌离子电池产业化障碍的视角
水系锌离子电池（AZIBs）近年来发展迅速，研究热度持续高涨。经过科研工作者十余年的努力，已对AZIBs中析氢反应、锌腐蚀、锌枝晶生长、正极溶解等问题的机理有了深刻认识，并提出了多种缓解上述问题的方法，极大地推动了AZIBs的产业化进程。然而现实情况是，AZIBs尚未真正实现大规模生产，与产业化仍存在一定距离，这与多种因素有关。本文从AZIBs产业化角度出发，系统梳理了其产业化过程中的技术瓶颈与研究进展。本文讨论涵盖正负极材料选择、非活性电极组分、商用隔膜、实用电解液及电池结构设计，同时剖析了易被忽视却至关重要的工艺挑战与标准规范体系，并提出具有良好适应性的优化解决方案。此外，本工作还分析了AZIBs与锂离子电池（LIBs）在制造工艺上的差异，并阐明了AZIBs实现商业化所需的核心要求。本综述旨在为AZIBs产业化的技术发展提供清晰路径，进一步提升其在大规模储能中的应用潜力。
关键词
工业化
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水系锌离子电池
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电池组件与结构设计
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工艺挑战
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标准化协议
引言
传统化石燃料已造成严重的环境污染与能源浪费，其有限储量与不均衡分布更引发了令人担忧的能源安全问题[1][2][3]。因此，通过技术创新发展清洁能源、降低碳排放、实现能源获取形式多元化以减少对化石能源的依赖，已成为全球共识[4][5][6]。储能电池系统是实现清洁能源发展的重要组成部分[7][8][9]。锂离子电池（LIBs）在移动储能市场占据主导地位，但目前商业化的LIBs系统面临锂资源分布不均及价格高昂等问题[10]。此外，即使最先进完备的电池管理系统也无法从根本上解决LIBs运行中的热失控问题，导致LIBs安全事故频发[11][12][13][14][15][16][17]。
采用中性电解质的AZIBs因其固有的安全性、环境友好性、经济性和优异的电化学性能而受到广泛关注。锌元素具有储量丰富、生产工艺成熟、理论容量高（820 mAh g−1和5855 mAh cm−3）、氧化还原电位低（−0.76 V vs. SHE）以及离子半径较小（相较于K+和Na+) 这些特性共同促成了AZIBs的高性能潜力[18-20]。该电池体系不仅能量密度预计远超铅酸电池，更具备极高的安全标准，使其在大规模储能应用中成为LIBs的有力竞争者（图1a）[21,22]。除大规模储能外，柔性AZIBs还展现出独特优势，在可穿戴技术领域具有重要应用前景。
然而，锌负极枝晶生长、界面腐蚀、析氢反应（HER）、正极溶解以及窄电压窗口等问题限制了水系锌离子电池（AZIBs）的工作电压、循环寿命和能量密度。为解决这些问题，研究人员已开展大量工作，例如开发锌负极保护层以抑制副反应[23]、添加含极性有机物的电解液以降低水活性[24]、提高电解液浓度以拓宽电压窗口[25]、在正极表面包覆材料[26]、构建正极人工固体电解质界面（SEI）层以缓解溶解[27]、采用功能化亲水隔膜增强机械强度[28]等。这些策略为提升AZIBs性能提供了有效途径，但距离工业化应用仍相去甚远。一个关键瓶颈在于实用性评估的难度，这源于缺乏商业规模的电池测试和统一标准。将已报道的高比能AZIBs与商业化LiFePO4进行对比时，这种性能差距尤为明显。4如图1b所示，(LFP)电池。此外，商业化需要健全的市场评估体系。锂离子电池得益于成熟的生产工艺、广阔的应用市场以及涵盖锂资源开采、产品部署和回收的完善工业标准。相比之下，如图1c所示，AZIB标准化仍处于起步阶段。
此外，低廉的制造成本与研发成本是实现商业化的关键驱动力。要使AZIBs在储能市场中获得产业化优势，其原材料与制备工艺成本必须显著低于成熟的商用LFP电池。然而迄今为止，由于电解质添加剂和隔膜等关键工艺的限制[29][30]，AZIBs的价格竞争力仍远未凸显。专利分析可快速把握AZIBs商业化进程，如图如图1d和e所示，2015至2025年间，尽管水系锌离子电池（AZIBs）的专利转让与许可协议数量近年来呈现显著增长趋势，但其在专利申请量及上述技术转移与许可指标方面仍显著低于锂离子电池（LIBs）和钠离子电池（SIBs）。通过对这些关键指标的分析可知，AZIBs目前仍处于产业化初期阶段，其发展进程远滞后于LIBs和SIBs。
在水系锌基电池（AZIBs）商业化突破的关键阶段，全面梳理其完整商业化进程并明确关键发展节点至关重要。本文基于现有锂离子电池制造体系，剖析了制约AZIBs产业化的紧迫瓶颈问题，结合最新研究进展系统总结了当前核心技术的发展现状，并探讨了最优实践策略。讨论范围涵盖正负极活性材料、非活性添加剂、隔膜、电解液，以及对产业化具有关键意义却长期被忽视的工艺挑战。此外，本研究从规模化生产与制造技术的视角，对比分析了AZIBs与锂离子电池（LIBs）的技术差异与差距，旨在进一步加速水系锌基电池的产业化进程。