《Journal of Alloys and Compounds》：Recent progress of Zn-ion electrolyte frontiers: unlocking the potential of two-dimensional materials for supercapacitors and batteries
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二维材料电极与Zn离子电解质的协同作用在超级电容器和电池中展现高效储能性能，通过调控材料结构提升离子扩散与循环稳定性，为未来高能密度储能系统提供理论指导与实践方案。
穆罕默德·阿赫桑·法鲁克·凯撒（Muhammad Ahsan Farooq Qaisar）|萨拉姆·阿里（Salamat Ali）|艾莎·卡尔苏姆·凯撒（Ayesha Kalsoom Qaisar）|沙夫卡特·阿里（Shafqat Ali）|穆罕默德·阿斯拉姆·科拉伊（Muhammad Aslam Korai）|伊纳姆·乌拉（Inaam Ullah）|艾莎·伊尔凡（Ayesha Irfan）|古拉姆·阿里（Ghulam Ali）|阿卜杜勒·萨塔尔·钱（Abdul Sattar Chan）|敬琪（Jing Qi）|韩伟华（Weihua Han）
兰州大学物理科学与技术学院，中国兰州730000
摘要
由于全球对未来能源解决方案的需求不断增长，电化学储能设备（ESDs）变得至关重要。诸如超级电容器（SCs）和电池之类的ESDs需要先进的电极材料来实现快速的离子扩散、提高充电容量以及优异的能量和功率密度。最近，二维（2D）材料因其独特的性质而成为极具前景的候选材料，这些性质包括可调的层间距、高电导率和出色的电化学性能。本文探讨了2D材料电极与锌离子电解质之间的协同作用，这种协同作用共同实现了高离子导电性、宽电化学稳定性窗口和稳健的循环性能。本文系统地整合并总结了基于密度泛函理论（DFT）的见解以及在不同2D材料家族中用于锌离子SCs和电池的实验研究结果。此外，本文还涵盖了原始材料、掺杂材料和复合2D材料，如过渡金属氧化物（TMOs）、过渡金属硫属化合物（TMDs）、层状双氢氧化物（LDHs）、石墨烯和MXenes作为锌离子SCs和电池的电极材料。最后，我们对如何优化2D电极材料的制备以实现锌离子SCs和电池的优异电化学性能进行了评估，并提出了未来研究的方向。我们期望这篇综述能够为基于2D材料的电极材料的战略选择和设计提供基础，为先进的锌离子SCs和电池的发展铺平道路。
引言
由于工业化、便携式电子产品的普及以及电动汽车（EVs）使用的增加，全球能源需求的迅速增长加速了对电化学储能设备（ESDs）的需求[1]、[2]、[3]、[4]。因此，开发可靠、可再生和清洁的能源资源已成为满足未来能源需求的关键[5]、[6]、[7]。在这方面，低成本、清洁且高效的能源将为未来的电化学ESDs提供高能量和功率密度[8]、[9]、[10]。在这些ESDs中，超级电容器（SCs）和电池因其高功率和能量密度特性而被认为是安全且具有发展潜力的[11]、[12]、[13]、[14]。与传统的ESDs（如电容器、燃料电池和太阳能电池）相比，SCs和电池具有独特的优势，使它们更适合现代能源需求[15]、[16]、[17]、[18]。
SCs和电池是最优秀、最可行、最环保和可持续的ESDs[19]、[20]、[21]、[22]。图1中的Ragone图展示了SCs和电池在能量和功率密度方面的性能与燃料电池和电容器的比较分析[23]，这表明SCs和电池优于其他设备[24]、[25]、[26]。SCs表现出比电池、燃料电池和电容器更高的功率密度[27]。相比之下，电池具有非常高的能量密度，但生命周期有限，充电速度较慢[28]、[29]。同样，燃料电池功率密度低，制造成本高，受燃料可用性的限制，并且在环境中的效率不高[30]。此外，电容器的功率密度高，但与SCs和电池相比，能量密度低几个数量级[31]。电池的高能量密度特性使其在长时间储能系统中保持核心地位[32]、[33]、[34]。另一方面，SCs在需要快速充放电、高功率密度和极长循环寿命的应用中变得不可或缺[35]、[36]、[37]。这些特性使SCs和电池成为ESDs的有希望的候选者[38]、[39]、[40]。
SCs和电池的电化学性能受电极材料的设计和化学性质的影响[41]、[42]、[43]。为此，研究转向了基于二维（2D）结构的先进电极材料，这些材料具有一系列互补的特性（例如机械强度、化学稳定性、可调的表面化学性质），非常适合优异的电化学性能[44]、[45]、[46]。2D材料包括石墨烯、六方氮化硼（h-BN）、过渡金属硫属化合物（TMDs）、过渡金属氧化物/氢氧化物（TMOs/OH）、层状双氢氧化物（LDHs）、金属有机框架（MOFs）、共价有机框架（COFs）和MXenes（过渡金属碳化物、氮化物和碳氮化物）[47]、[48]、[49]、[50]、[51]。这些材料具有几个关键优势，包括出色的电导率、高理论比表面积（SSA）以及易于离子吸附和充电存储[52]。较大的SSA增强了电极材料与电解质之间的接触，促进了更快的离子扩散和更短的传输路径，减少了能量损失，提高了整体效率[53]。此外，它们的机械特性有助于在反复的离子嵌入循环过程中保持电极材料的结构完整性，延长了设备的寿命[54]。然而，在实际应用中，这种SSA常常因堆叠和聚集而受到影响，从而限制了离子的 accessibility[55]、[56]。这些材料的多样性允许通过掺杂和形成复合材料等策略来调整其性质，使其适用于SCs和电池[57]。
然而，传统SCs的能量密度有限，而电池的功率密度较低[58]、[59]。此外，它们的安全和易用性受到持续的安全问题的阻碍，主要是电解质的可燃性和枝晶形成问题；对于锂离子系统来说，关键电解质组分的成本较高[60]。此外，基于单价离子的SCs和电池在某些电极材料中经常出现结构不稳定，导致容量衰减和寿命缩短[61]。因此，为了实现SCs和电池的良好效率，电解质必须具有优异的传输特性，以便在充放电过程中实现快速离子扩散，并具有低毒性、化学稳定性和热稳定性[62]。在这种情况下，关注多价离子电解质（如锌离子）是一个有前景的选择，因为它们比单价离子更稳定[63]。锌离子系统提供了具有不可燃电解质和潜在更低材料成本的替代方案[64]。锌离子的双电荷载流子特性增加了存储更多电荷的可能性，从而提高了SCs的能量密度和电池的功率密度[65]、[66]。此外，锌离子电解质在放电/充电过程中快速引导电解质离子的插入/移除，从而提高了整体电容、循环稳定性和寿命[67]、[68]。最近，多项研究集中在使用锌离子电解质的SCs和电池上，这些研究展示了优异的电化学性能[69]、[70]。由于其迷人的特性，锌离子电解质在未来的高性能SCs和电池应用中具有巨大的潜力[71]、[72]。
在这种情况下，2D电极材料与锌离子电解质的结合正在取得进展，并突显了它们作为互补组件的战略选择，以克服现有的局限性[73]。锌离子（Zn2+）是理想的电荷载体，因为它具有高的理论容量、体积能量密度和在水溶液中的稳定性[74]、[75]。这些优势还体现在它们的安全性、低成本和对环境的最小影响[76]。然而，它们的二价性质和与宿主材料的强静电相互作用往往导致动力学缓慢和降解[77]。这就是为什么选择特定家族的2D材料作为电极框架的原因。该综述强调了提供工程化层间距、丰富活性位点和导电网络的2D材料。这种选择并非随意；它是基于这些材料减轻锌离子引起的应变、实现快速界面电荷转移以及在反复循环过程中保持结构完整性的能力。因此，这种组合代表了一种有针对性的设计范式，包括利用锌离子的经济和安全优势。同时利用2D材料的可调性质来克服相关的动力学和热力学挑战，从而在电化学性能方面实现突破。所选的文献涵盖了从基础研究到最新的前沿研究。这些标准优先考虑了锌离子电解质和2D材料的基本电化学研究、解决关键挑战的创新方法以及ZIB和锌离子SCs的设备架构。
本文系统地概述了基于锌离子的电化学ESDs的最新进展，首先比较了SCs和电池中的充电存储机制，并强调了锌离子电解质的重要作用。然后，全面评估了各种2D电极材料（包括TMOs、TMDs、LDHs、石墨烯和MXenes（纯材料、掺杂材料或复合材料）在锌离子SCs和锌离子电池中的性能。通过整合电解质设计和材料创新的分析，本文阐明了关键的电化学特性，并确定了未来研究的有希望的方向。这种结构化的方法使我们能够超越简单的数据汇总，提供创新的批判性综合，追踪从基础材料到先进架构的进展。最后，通过总结，本文提供了关于设计高性能锌离子SCs和电池的宝贵见解，这些电池能够满足不断增长的全球对可靠和可扩展能源解决方案的需求。
部分摘录
超级电容器
超级电容器提供了一种可持续且高效的能源解决方案，以其长寿命和成本效益而著称[78]。超级电容器利用基于静电或电化学的多种充电存储机制，具有高功率密度特性[79]。当前的研究主要集中在三种类型的超级电容器上，根据其电化学构造进行分类：双电层电容器（EDLCs）、赝电容器（PCs）和混合超级电容器（HSCs）[80]
锌离子电解质的重要性
电解质对电化学稳定性窗口、库仑效率和存储特性起着关键作用[119]。大多数研究使用了基于锌的电解质，这些电解质促进了超级电容器和电池的电化学性能的提升[120]。锌离子存储系统的电解质有多种形式，每种形式都定义了系统的核心行为[121]。水基电解质是最常见的类型，它利用溶解在水中的锌盐来实现高离子
基于过渡金属氧化物的锌离子超级电容器
过渡金属氧化物（TMOs）因其高理论容量、多个氧化还原活性状态和升高的能量密度特性而成为有前景的电极材料[137]、[138]。它们的层状或隧道状晶体结构促进了快速的离子扩散，而其固有的赝电容器行为有助于提高充电存储能力[139]、[140]。大多数关于基于TMOs的锌离子超级电容器的研究都报道了优异的电化学性能，包括高比基于过渡金属氧化物的锌离子电池
过渡金属氧化物（TMOs）作为正极材料在锌离子电池（ZIB）的发展中受到了广泛关注，因为它们具有出色的性能[189]、[190]。迄今为止，已有多项研究将TMOs作为ZIB的有希望的正极材料，并展示了优异的电化学性能[191]、[192]。例如，郑等人[193]通过静电组装和退火制备了一种V6O13?x/rGO异质结构（HS）正极结论与展望
锌离子电解质因其引人注目的特性而成为下一代可再生SCs和电池的基石。通过战略性地选择电极材料，锌离子电解质的潜力得到了充分发挥。在这种情况下，具有优异层状形态、高SSA和多功能性质的2D材料已成为锌离子SCs和电池卓越电化学性能的理想伙伴。本文总结了CRediT作者贡献声明
艾莎·伊尔凡（Ayesha Irfan）：方法论、形式分析、数据管理、概念化。伊纳姆·乌拉（Inaam Ullah）：调查、形式分析、数据管理、概念化。阿卜杜勒·萨塔尔·钱（Abdul Sattar Chan）：可视化、调查、数据管理、概念化。古拉姆·阿里（Ghulam Ali）：方法论、调查、形式分析、数据管理。韩伟华（Weihua Han）：撰写-审稿与编辑、验证、监督、数据管理。敬琪（Jing Qi）：撰写-审稿与编辑、验证、监督、数据管理。萨拉姆·阿里（Salamat Ali）：撰写-审稿利益冲突声明
作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。
