对于开放式锌空气电池的测试，RTILs 通常提供更好的电化学控制，而 DESs 则具有成本低得多且开发更容易的优势。 与传统的有机溶剂相比，两者都减少了蒸发并提供了宽广的电化学窗口，但它们也各有代价：RTILs 价格昂贵，且可能通过阴离子锌配合物阻碍锌的还原；而 DESs 粘度极高，可能会限制离子传输和电池加工。
核心权衡在于性能一致性与实际可及性。 当锌沉积行为和抑制析氢是首要任务时，请选择非质子 RTIL；当成本、制备简便性、环境友好性和氧化物溶解更为重要时，请选择 DES——前提是必须有效管理其粘度。
为什么电解质的选择在开放式锌空气电池中至关重要
开放式电池加剧了蒸发问题
开放式设计的锌空气电池暴露在周围环境中，因此挥发性电解质在测试过程中会迅速损失溶剂。这会改变电解质成分，并使电压、放电速率和锌利用率的测量难以复现。
RTILs 和 DESs 都具有低蒸气压和可忽略不计的挥发性，这使得它们比传统的挥发性有机溶剂更适合长时间的开放式电池实验。
电解质必须支持的不仅仅是离子导电
有效的锌空气电池电解质必须在支持锌氧化和还原的同时，在锌电极上保持稳定，并与空气电极兼容。其粘度、化学稳定性、锌离子形态以及与金属氧化物的相互作用都会影响测得的电池性能。
这意味着最好的电解质不一定是电化学窗口最宽的那一种。它还必须在特定的测试条件下提供可控的质量传输和稳定的电极界面。
RTILs：更强的电化学控制，更高的成本
RTILs 抑制质子驱动的析氢
非质子 RTILs 避免了在更传统的电解质中可能发生的质子相关析氢。这在锌电极上尤为重要，因为析氢会消耗电荷、降低库仑效率并干扰锌沉积。
主要参考文献报告称，合适的 RTIL 体系的锌电沉积电流效率超过 85%。当测试目标是对锌电镀和剥离行为进行精确评估时，这使得 RTILs 具有吸引力。
RTILs 在不牺牲热稳定性的前提下减少蒸发
RTILs 结合了低挥发性、低蒸气压、高热稳定性和宽电化学窗口。这些特性可以提高长期开放式电池测试的稳定性，并减少因溶剂损失引起的成分漂移。
它们的化学惰性也有助于将电极反应与不必要的溶剂分解隔离开来，尽管确切的结果取决于所选的离子液体和电极材料。
锌配合物可能阻碍还原
主要的电化学缺点是 RTILs 可能形成阴离子锌配合物。这些配合物可能会使锌离子在电极表面难以顺利还原。
因此，RTIL 可以提供高沉积效率，但在成核、形貌或沉积均匀性方面仍存在挑战。电解质可能防止了析氢，但不一定能实现顺畅的锌还原。
RTILs 用于广泛筛选时成本高昂
与 DESs 相比，RTILs 通常需要更大的财务投入。当研究人员需要筛选多种配方、重复实验或从小型测试电池扩展到大型原型时，这一点很重要。
即使电化学性能很有前景，成本也可能限制配方的探索。
DESs：成本更低的配方，但存在粘度代价
DESs 制备更简单、更便宜
DESs 是通过将合适的组分结合成共晶混合物而形成的，通常不需要许多 RTILs 所涉及的复杂合成。它们通常更便宜、更易于制备，且更适合实验室筛选。
当研究计划需要快速比较多种电解质成分时，这使得 DESs 非常有用。
DESs 提供更好的环境特性
与许多 RTIL 配方相比，DESs 通常被认为毒性更小且更具生物降解性。因此，它们为电解质开发提供了一条环境更友好的途径，尽管仍需评估各个组分的特性，而不能直接假设。
它们较低的成本和更简单的制备方法使其在探索性电池研究中特别具有吸引力。
氢键可以改善氧化物溶解
乙酰胺基熔融混合物及相关 DESs 可以通过氢键相互作用有效溶解金属氧化物。这一特性可能有利于锌空气电池测试，其中氧化物相关物种的溶解或传输会影响电极反应。
然而，强大的氧化物溶解能力并不自动等同于良好的锌沉积。电解质仍需要保持合适的锌离子传输和界面行为。
高粘度限制了传输和加工
DES 的主要缺点是高粘度。据报道，DES 的粘度范围约为 50 到 8,500 cP，而 RTILs 的粘度约为 10 到 500 cP。
高粘度降低了离子电导率并减慢了质量传输。在锌空气电池中，这会降低可达到的电流密度，增加浓差极化，使润湿变得复杂，并使电解质的填充或混合变得更加困难。
粘度可能掩盖电池的内在性能
如果 DES 太粘，较差的放电性能可能反映的是传输限制，而不是电极化学性质不足。因此，区分电解质的内在电化学稳定性和其在选定测试速率下提供离子的实际能力非常重要。
研究人员可以通过使用较小的阳离子或氟化氢键供体来降低粘度，但这些变化也可能改变溶剂化、电导率、成本和电极兼容性。
RTILs 与 DESs 直接对比
| 标准 | RTILs | DESs |
|---|---|---|
| 开放式电池中的挥发性 | 非常低 | 非常低 |
| 电化学窗口 | 通常较宽 | 通常较宽 |
| 热稳定性 | 高 | 高 |
| 成本 | 高 | 显著较低 |
| 制备 | 通常要求更高 | 通常更简单 |
| 环境特性 | 取决于配方 | 通常毒性更小且可生物降解 |
| 粘度 | 通常较低 | 通常较高 |
| 锌行为 | 可抑制析氢但会形成阴离子锌配合物 | 可提供有用的溶剂化和氧化物溶解，但可能存在传输限制 |
| 最佳初步用途 | 受控的锌沉积和界面研究 | 低成本配方筛选和氧化物兼容性测试 |
理解权衡
较低的挥发性并不能消除所有的测试伪影
RTILs 和 DESs 防止了与传统有机溶剂相关的快速蒸发，但它们并不能自动保证测试的可复现性。粘度、含水量、溶解物质、混合质量和电极润湿性仍然会改变测量结果。
因此，开放式电池测试应使用受控的电解质制备和一致的电池组装。
高电化学稳定性不能保证高功率性能
宽电化学窗口表明电解质可以耐受较宽的电位范围，但这并不能确保低电阻或快速的离子传输。DES 的粘度和 RTIL 的锌配合作用都可以通过不同的机制降低实际性能。
应在评估稳定性的同时评估电压效率和放电速率。
添加剂可以改善一种特性，同时改变另一种
极性共溶剂或低分子量添加剂可能会降低粘度、改善锌离子溶剂化并稳定反应中间体。然而，它们也可能改变挥发性、界面化学和电解质的整体电化学行为。
因此，应将添加剂作为完整配方的一部分进行评估，而不是将其视为普遍有益的。
测试电池的规范至关重要
精确的液体混合、真空除气和标准化的测试电池组装对于比较 RTIL 和 DES 配方非常重要。如果没有这些控制，截留气体、润湿性、粘度或电解质成分的差异可能会被误认为是真正的化学效应。
在比较配方时，应使用相同的电池几何结构和测试方案。
为您的目标做出正确的选择
合适的选择取决于实验是优先考虑锌电极性能、配方实用性还是可加工性。
- 如果您的主要重点是锌沉积效率和抑制析氢： 从非质子 RTIL 开始，同时筛选可能阻碍顺畅还原的锌配合物。
- 如果您的主要重点是低成本电解质发现： 使用 DES，因为它制备和比较起来更容易、成本更低。
- 如果您的主要重点是金属氧化物溶解： 选择具有强氢键能力的 DES 配方，然后验证其粘度不会限制电池操作。
- 如果您的主要重点是高倍率放电测试： 优先选择低粘度的候选物，或者在得出性能结论之前，使用合适的降粘策略对 DES 进行改性。
- 如果您的主要重点是长期开放式电池稳定性： 考虑任一类别，因为两者都具有低挥发性，但需仔细控制混合、除气、润湿和电解质成分。
- 如果您的主要重点是可扩展的实验室筛选： DESs 通常是更实用的起点，而 RTILs 作为高成本的电化学行为基准仍然具有价值。
最稳妥的方法是将 RTILs 和 DESs 作为互补平台使用：RTILs 可以建立电化学基准，而优化的 DESs 可以追求更经济和环境友好的设计。
总结表：
| 标准 | RTILs | DESs |
|---|---|---|
| 开放式电池中的挥发性 | 非常低 | 非常低 |
| 电化学窗口 | 通常较宽 | 通常较宽 |
| 热稳定性 | 高 | 高 |
| 成本 | 高 | 显著较低 |
| 制备 | 通常要求更高 | 通常更简单 |
| 环境特性 | 取决于配方 | 通常毒性更小且可生物降解 |
| 粘度 | 通常较低 | 通常较高 |
| 锌行为 | 可抑制析氢但会形成阴离子锌配合物 | 可提供有用的溶剂化和氧化物溶解，但可能存在传输限制 |
| 最佳初步用途 | 受控的锌沉积和界面研究 | 低成本配方筛选和氧化物兼容性测试 |
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