image: 水系金属离子电池中的电化学工程 view more
Credit: ©《中国科学》杂志社
水系金属离子电池（AMIBs）被认为是提升电池技术安全性的有效方案之一。尽管在电池组件和机理等基础研究方面取得了显著进展，但在实际应用中AMIBs仍面临诸多难题，如金属负极的副反应、能量密度较低、离子传输和存储效率在高负载条件下显著衰减等。
北京化工大学邱介山教授、杨琪教授联合香港城市大学支春义教授从电极反应和离子传质的角度，详细探讨了厚电极和高负载条件下，AMIBs的正极、电解液、界面和负极所面临的挑战，并提出了相应的解决策略。在正极方面，研究了非金属正极中金属离子的存储机制，包括化学缔合和嵌入化学，并通过分子化学工程等方法强化正极反应；针对金属负极存在的问题，如表面钝化、枝晶生长等，提出了晶体工程、电场调节等多种策略来提高金属负极的利用率；讨论了电解液中的离子传质行为，分析了迁移速率、浓度梯度等因素对离子扩散状态的影响，并提出了基于微观能斯特-普朗克理论和宏观化学工程雷诺数相结合的新思路来研究电池微空间内的离子传质状态，为电解液设计提供了新思路；对于离子在电解液/电极界面的扩散，通过配位化学和空间化学限域等方法可促进去溶剂化过程，提升离子传质效率；针对电化学反应动力学迟滞和活性物质损失等问题，从催化和微反应器构筑等角度讨论了电极反应的强化策略。最后，探讨了AMIBs从实验室基础研究走向市场应用所面临的挑战和未来的发展方向。