核心挑战在于传输，而非电化学稳定性。DES 和 RTIL 具有较宽的电化学窗口、低挥发性和高热稳定性，但其相对较高的黏度会降低离子电导率，并减缓锌基金属空气电池中的传质过程。RTIL 还可能形成含锌阴离子络合物，使锌离子的还原与沉积变得更加困难。因此，研究人员会评估含有极性助溶剂或低分子量添加剂的混合配方，并采用受控混合、脱气和标准化电池组装工艺。
DES 和 RTIL 解决了水系或传统有机电解质的挥发性和稳定性问题，但同时引入了黏度和锌界面方面的局限。因此，电解质评估必须将配方化学与电压效率、倍率性能以及可重复测试条件下的锌沉积行为联系起来。
DES 和 RTIL 对锌基金属空气电池的吸引力
较宽的电化学稳定窗口
与许多水系体系相比，这两类电解质都可以支持更宽的工作电压范围。这一点非常有用，因为锌基金属空气电池涉及锌电极和空气电极两端的电化学反应。
不过，较宽的电化学窗口并不能保证电池具有良好性能。电解质还必须高效传输离子，并支持可逆的锌氧化和还原反应。
低挥发性和热稳定性
RTIL 和 DES 具有较低的蒸气压，在典型实验室工作条件下基本不挥发。这对于开放式金属空气电池尤为重要，因为传统有机溶剂可能会在测试过程中蒸发。
它们的热稳定性还有助于在评估过程中保持更一致的电解质组成。相比之下，溶剂损失会随着时间改变浓度、黏度和电极行为。
DES 的实际优势
与 RTIL 相比，DES 通常更容易制备，成本也更低。根据所使用的具体组分，DES 还可能具有可生物降解性和较低毒性。
这使 DES 非常适合早期配方筛选，因为在确定合适的电解质之前，通常需要制备许多种不同组成的配方。
主要电化学挑战
高黏度限制离子传输
黏度是 DES 和 RTIL 面临的主要限制。它会减缓离子在本体电解质中的移动，并可能降低离子电导率。
在较低温度、较高盐浓度下，或在会形成浓度梯度的电极附近，这一问题会更加严重。在金属空气电池中，受限的传输会影响锌电极反应以及空气电极处与氧相关的过程。
已报道的黏度范围说明了这一问题：DES 的黏度可能约为 50 至 8,500 cP，而 RTIL 通常约为 10 至 500 cP。这些数值会随组成和温度发生显著变化，因此应将其视为与配方相关的范围，而不是普遍适用的限制。
锌还原可能存在动力学困难
RTIL 可能会将锌配位形成复杂的阴离子物种。这些络合物会降低电极界面处电化学活性锌物种的可利用性。
其结果可能是锌还原速率降低、极化增加以及锌沉积均匀性变差。这对于评估可充电锌体系尤为重要，因为沉积和剥离的可逆性是核心性能指标。
电极界面可能变得不稳定
在本体电解质中具有良好离子传输能力的配方，在电极表面仍可能表现不佳。溶剂化结构、锌络合物形成以及添加剂相互作用都会影响成核、沉积形貌和界面电阻。
因此，电解质评估不应只依赖本体电导率或黏度，还应在实际电池条件下考察电压效率、放电行为和锌沉积情况。
氧电极运行仍取决于具体配方
电解质必须支持空气电极反应，同时与锌电极保持兼容。黏度、溶剂化状态和反应中间体稳定性的变化，都可能改变极化和放电倍率性能。
因此，即使某种电解质在仅含锌电极的电化学测试中表现良好，仍需要在具有代表性的锌空气测试电池中进行评估。
配方如何应对这些局限性
添加极性助溶剂
极性助溶剂可以降低 DES 或 RTIL 配方的黏度，并改善本体离子传输。它们还可能改变锌离子的溶剂化状态，从而使锌还原更容易进行。
必须谨慎选择助溶剂。它应改善传输性能，同时不能削弱母体电解质所期望的低挥发性、电化学稳定性和电极兼容性优势。
使用低分子量添加剂
低分子量添加剂可以调节黏度、溶剂化状态和反应中间体的稳定性。它们的作用并不只是稀释电解质，而是调节锌离子和电极表面所处的化学环境。
其效果必须通过实验验证，因为能够改善电导率的添加剂也可能改变锌沉积形貌或界面稳定性。
调整 DES 组分
DES 的黏度会受到阳离子和氢键供体选择的影响。使用较小阳离子或含氟氢键供体的配方，已被认为是降低黏度的方法。
这些改变需要在传输性能、化学兼容性、成本和环境属性之间进行权衡。黏度最低的配方并不一定是最佳电池电解质。
考虑经济与环境之间的平衡
RTIL 可以提供良好的电化学性能和低挥发性，但其成本可能限制大规模应用。DES 通常更适合经济型实验室筛选和开发。
关于环境效益的声明应针对具体配方。DES 的安全性和可生物降解性取决于其具体组分，而不仅仅取决于其 DES 分类。
电解质配方如何处理以进行评估
精确制备液体组成
研究人员首先按照受控比例，将 DES 或 RTIL 与选定的锌盐、助溶剂或添加剂混合。准确称量和一致的混合过程至关重要，因为组成的微小变化就可能影响黏度、电导率、锌物种形态和电极行为。
对于 DES 的制备，必须充分混合各组分，以形成均匀的低共熔液体。具体的制备温度和混合条件取决于所选组分，并且在进行对比的样品之间应保持一致。
混合至配方均匀
实验室规模的液体混合用于均匀分散电解质组分，并溶解含锌物种。混合不一致可能造成局部浓度差异，之后这些差异可能被误认为是电化学效应。
当目标是进行对比评估时，每种配方都应采用相同的混合流程进行处理。
去除溶解气体和夹带气体
在组装电池之前，应对制备好的电解质进行真空脱气。脱气有助于去除被困气泡和溶解气体，避免其干扰润湿、离子传输或电极测量。
对于含有空气电极的电池，这一步尤为重要，因为不受控制的气穴会改变有效反应面积，并导致结果缺乏可重复性。
组装标准化测试电池
将处理后的电解质引入受控的测试电池结构中，其中包含锌电极和空气电极。统一电极尺寸、电解质体积、隔膜或间距以及组装流程，可以使不同配方之间的差异更具意义。
目标是分离电解质本身的影响，而不是由电池结构差异造成的影响。
在受控条件下进行评估
随后测试配方对以下性能的影响：
- 电压效率，反映极化程度以及充放电过程的可逆性。
- 放电倍率性能，显示随着电流增加，离子传输和反应传输是否仍然充足。
- 锌沉积行为，包括锌还原的难易程度和均匀性。
- 界面稳定性，揭示电解质是否能在测试期间支持一致的电极运行。
电流密度、温度、放电程序和电池暴露条件等测试条件，都应受到控制并保持一致报告。
理解其中的权衡
降低黏度不能解决所有问题
降低黏度通常可以改善传输，但过度稀释可能改变锌离子的溶剂化状态和电解质的电化学行为，也可能降低电化学有效物种的浓度。
因此，配方优化需要在黏度、电导率、锌还原和电极稳定性之间取得平衡，而不是最大化某一项单独性能。
RTIL 具有性能优势，但成本较高
RTIL 可以提供低挥发性，并且在非质子体系中避免由质子驱动的析氢。一些体系已经实现了超过 85% 的锌电极沉积电流效率。
然而，它们形成复杂含锌阴离子物种的倾向可能阻碍锌的顺利还原，而且其成本可能不利于更广泛的应用。
DES 易于获取，但通常黏度更高
DES 通常更容易、更低成本地制备，因此适用于研发。尽管如此，其较高黏度可能使电池润湿、倍率测试以及沉积行为的解释变得复杂。
因此，应将 DES 作为完整配方进行评估，包括其中的锌盐和任何增强传输性能的添加剂。
本体测量结果可能具有误导性
某种配方可能表现出可接受的电导率，却产生较差的锌沉积或较高的电池极化。相反，化学性质有利的锌界面也可能受到本体传输缓慢的限制。
可靠的评估应将液体处理控制与标准化电池中的电化学测量结合起来。
如何将其应用于您的项目
最有效的工作流程是将电解质配方和电池测试视为一个完整的综合实验。
- 如果您的主要关注点是传输和高倍率放电：优先选择能够降低黏度的助溶剂或添加剂，然后验证电导率的提升是否能转化为更低的极化和更好的放电倍率性能。
- 如果您的主要关注点是可逆锌沉积：应考察锌离子物种形态、还原动力学、沉积形貌和剥离行为，而不是仅依赖本体电导率。
- 如果您的主要关注点是低成本开发：从 DES 配方开始，因为它们通常更容易、成本更低地制备，同时通过组分选择或添加剂控制黏度。
- 如果您的主要关注点是开放式电池稳定性：优先考虑低挥发性的 DES 或 RTIL 体系，并确认脱气、润湿和标准化组装能够带来稳定且可重复的运行。
- 如果您的主要关注点是可靠对比：采用精确的液体混合、真空脱气、相同的测试电池结构，以及受控的电压效率和倍率测试流程。
成功的锌空气电解质并不只是挥发性最低或电导率最高的液体，而是能够在传输性能、锌可逆性、空气电极兼容性和可重复处理之间取得平衡的配方。
总结表：
| 挑战 | 描述 |
|---|---|
| 高黏度 | 限制离子传输和电导率。 |
| 锌还原动力学 | 络合物形成会减缓锌沉积。 |
| 电极界面不稳定 | 影响成核和沉积形貌。 |
| 氧电极兼容性 | 取决于电解质配方。 |
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