【原创】唐永炳团队：双离子电池研究进展

背景介绍

作为能量转化的主要载体，锂离子电池（LIBs）目前已被广泛应用于人们生活的各个方面，例如：手机、电动车、储能电站等。然而，传统锂电电极材料已接近其理论能量密度，发展遇到了瓶颈。此外，正极材料，如，钴酸锂锂（LiCoO2）或三元材料（LiNi1-2xCoxMnxO2 Or NCM），面临着锂和钴等资源分布不均且储量有限等问题，难以满足人们日益增长的对高效低成本储能器件的需求，亟待开发新型储能材料与储能技术。当前，除了进一步改善三元材料如NCM等的性能以外，锂空（Li-O2）、锌空（Zn-O2）、锂硫（Li-S）、双离子电池（DIBs），以及新型钠、钾、钙等离子电池也受到了人们的广泛关注。

本文从DIBs发展的历史和研究现状入手，深入讨论DIBs中所涉及的包括正极的阴离子插层，负极的阳离子插层、合金化等反应机理，回顾和讨论了目前提高DIBs性能的各种策略和解决问题的方案，并进一步指出了DIBs所面临的挑战和未来的发展方向，为DIBs储能系统的科学研究和实际应用提供了必要的见解。

重点内容导读

鉴于目前传统摇椅式锂离子电池（LIBs）能量密度已达到发展瓶颈，难以满足电网和电动汽车日益增长的需求，且锂和钴等资源有限，对高效低成本电池系统的研发提出了迫切需求。与传统LIBs不同，双离子电池（DIBs）作为一种新型电池技术，阴离子（如PF6-，BF4-等）和阳离子共同参与到充放电过程中的氧化还原反应中。由于阴离子插层石墨正极电位高（> 4.5 V vs. Li/Li+），DIBs通常具有较高的工作电压；此外，DIBs还具有安全性好，环保易回收等诸多优点，展现出良好的应用潜力，因而受到了研究人员的极大的关注。然而，目前DIBs的研究仍然处于实验室验证的初级阶段，其中阴离子作为活性物质对双离子电池性能的影响等相关研究和机理解释仍然十分缺乏，亟待进一步深入研究与探讨。本文从上述角度出发，在全面回顾DIBs的发展历史与现状的基础上，系统总结了DIBs面临的主要挑战:（1）比较了DIBs和LIBs反应机理和工作特点；（2）简述了DIBs电池发展的历程和电解液的选择与发展；（3）讨论了DIBs电池正负极材料的反应机理和改进策略；（4）总结了DIBs当前所处的研究阶段，从而为进一步深入探索阴/阳离子反应机理，改善DIBs的电化学性能，提出了建设性的改善策略。

 图1 DIBs的发展历程：（a）Schafhäutl 首先发现阴离子插层现象；（b）Rüdorff 等证明了阴离子（HSO4-）在浓硫酸中能够可逆插层石墨，并开发出首个双石墨电池（DGBs）；（c）Seel等报道首个实用性双碳电池（DCBs）;（d）Placke等报道第一个锂金属-石墨双离子电池;（e）Dai 等首次报道基于Al2Cl7-/AlCl4-的铝离子电池;（f）Tang等首次报道铝-石墨DIBs;（g）Tang等首次报道钾基锡-石墨DIBs;（h）Tang等首次报道钠基DIBs;（i）Tang等首次报道聚合物电解质DIBs;（j）Tang等首次报道钙基DIBs;（k）Wang等首次报道基于卤素（Cl、Br）的水系DIBs；（l）Ji等首次报道反向双离子电池

结 论

当前正处在能源变革的重要阶段，在未来储能领域，高能量密度、高安全性、环保低成本的新一代电池必将成为其中的关键。其中，DIBs作为一种不同于传统的摇椅式LIBs的新型储能器件，近年来受到了广泛关注，有望成为实现上述目标的重要选项之一。本文概述了DIBs的发展历程、电池结构、反应机理，全面分析了DIBs中涉及的反应动力学，包括正极的阴离子嵌入机理、负极的阳离子嵌入与合金化动力学等。为了解决传统LIBs等面临的资源短缺、成本上升等问题，本文倡导大力发展基于地壳上储量丰富的低成本金属离子（如Na+、K+、Ca2+、Al3+等）基DIBs。并且针对以上问题，从电极材料的结构设计、改性以及新型电极材料的开发等方面论述了近年来高效低成本DIBs的研究进展和改进策略。尽管DIBs已经取得了一定的进展，但我们清晰地认识到， DIBs的研究仍处于起步阶段，需要作出更多的努力，解决DIBs面临的能量密度不高、非锂碱金属阳离子的反应动力学相对较差、库仑效率相对较低、反应动力学理解不够深入等诸多问题与挑战。同时，DIBs实用化道路也还远未开始，还有很长的路要走，并且需要付出相当大的努力来进一步优化其电化学性能并降低成本。可以预见，通过克服这些关键技术问题，实现技术突破，DIBs的应用有望在不久的将来得以实现。

引用本文

 周小龙,欧学武,刘齐荣等.双离子电池研究进展[J].储能科学与技术,2020,09(02):551-568.                                           ZHOU Xiaolong,OU Xuewu,LIU Qirong,et al.Research progress on dual-ion batteries[J].Energy Storage Science and Technology,2020,9(2):551-568.)

团队介绍

唐永炳，研究员，博士生导师，中国科学院深圳先进技术研究院功能薄膜材料研究中心主任，主要致力于新型储能材料及器件的研究与应用。目前中心全职共有60余人，包括国家优青，香江学者，深圳市“孔雀计划”人才等，导师全部具有海外科研背景。经过多年的建设，中心已成功建成 广东省高效低成本储能器件工程中心等多个省市研究平台。培养的研究生多人获得国家奖学金奖励，已毕业的学生就业及留学前景良好，多位就职于比亚迪、宁德时代、欣旺达、江淮汽车、华为、招商银行等知名企业，以及留学新加坡国立大学、澳大利亚新南威尔士大学、莫纳什大学等国际知名大学。

中心先后承担了多项国家、中科院、广东省、深圳市项目及企业资助的横向项目，近年来围绕新型储能材料与器件及功能薄膜材料方向发表学术论文140余篇，部分成果发表于Nature Chem.、Nature Comm.、Adv. Mater.、Angew. Chem.、Adv. Energy Mater.、Adv. Funct. Mater.、Nano Lett.、ACS Nano、Adv. Sci.等学术期刊。累积申请各类发明专利380余件，其中PCT专利45项，美欧日韩专利12项，授权专利100余项，已完成转移转化23项。

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