雙離子電池（DIB） 作為一種新型的高性?xún)r(jià)比、高工作電壓、環(huán)保的儲(chǔ)能裝置而備受關(guān)注。雙離子電池具有陰陽(yáng)離子協(xié)同氧化還原儲(chǔ)能機(jī)理，可同時(shí)獲得較高的功率和能量密度，相對(duì)鋰離子電池而言，具備 安全優(yōu)勢(shì)、成本優(yōu)勢(shì)雙重優(yōu)點(diǎn)， 曾被國(guó)際純粹與應(yīng)用化學(xué)聯(lián)合會(huì)（IUPAC）評(píng)為 2020 年度“十大新興技術(shù)”。

雙離子電池的概念是由雙炭電池（DCBs）或雙石墨電池（DGBs）發(fā)展而來(lái)的，源于對(duì)石墨層間化合物（GICs）的研究。

隨著電動(dòng)汽車(chē)的快速發(fā)展，鋰離子電池不斷攻城略地，然而在市場(chǎng)高熱之下，危機(jī)也已悄然出現(xiàn)，電動(dòng)汽車(chē)的續(xù)航里程持續(xù)增加，對(duì)動(dòng)力電池能量密度、成本等的要求也逐漸提高?，F(xiàn)有鋰離子電池能量密度已經(jīng)接近理論極限，且鋰、鈷和鎳等原材料價(jià)格給鋰離子電池成本帶來(lái)很大的壓力。

【資料圖】

為了應(yīng)對(duì)這些危機(jī)，布局新技術(shù)、新產(chǎn)品是唯一的選擇。在學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界的共同努力下，眾多新技術(shù)躍躍欲試；如全固態(tài)電池、鋰空氣電池等。而雙離子電池這匹黑馬，近年來(lái)發(fā)展迅猛，實(shí)力不容小覷。

雙離子電池體系中參與電化學(xué)反應(yīng)的并不是單一離子，相對(duì)應(yīng)的，鋰離子電池中在正負(fù)極之間穿梭的只有 Li+ 一種離子，電解液中的陰離子并不參與反應(yīng)。而在雙離子電池中，不但陽(yáng)離子能夠發(fā)生嵌入反應(yīng)，電解液中的陰離子也能夠發(fā)生嵌入反應(yīng)，因此得名雙離子電池。

來(lái)源：《雙離子電池電解液和電極材料的設(shè)計(jì)優(yōu)化》）

對(duì)于雙離子電池的早期研究大多基于石墨-石墨電池體系，即石墨同時(shí)作為電池的正負(fù)極材料。

在 正極材料 方面，雙離子電池正極一般采用石墨類(lèi)碳基材料，通過(guò)陰離子的插層/脫嵌過(guò)程實(shí)現(xiàn)電池的充放電。石墨作為一種很好的儲(chǔ)能材料，硬碳、軟碳作為價(jià)格便宜且效果良好的儲(chǔ)能材料已被用于鋰離子電池、鈉離子電池等領(lǐng)域，產(chǎn)業(yè)化走在前列。

在電解液方面，雙離子電池電解液除了充當(dāng)離子傳輸媒介外，還是充放電過(guò)程中的活性離子來(lái)源，因此對(duì)電池容量、循環(huán)壽命、能量密度等電化學(xué)性能具有重要影響。電解液濃度將影響陰離子的儲(chǔ)存行為，高濃度的電解液可降低陰離子起始嵌入電位但動(dòng)力學(xué)相對(duì)緩慢，低濃度電解液有利于陰離子的傳輸動(dòng)力學(xué)但比容量相對(duì)較低。因此，研究人員不僅要針對(duì)電解液中陰離子嵌入石墨正極層間的儲(chǔ)存行為進(jìn)行系統(tǒng)研究，還需要考慮電解液與陽(yáng)離子嵌入負(fù)極材料的相容性問(wèn)題；從而構(gòu)建一種既適用于正極儲(chǔ)能又適用于負(fù)極儲(chǔ)能的電解液體系。

在 負(fù)極材料 方面，雙離子電池常用負(fù)極材料主要有碳基材料、過(guò)渡金屬氧化物/硫化物、有機(jī)負(fù)極材料及合金化負(fù)極材料等。特別是合金化負(fù)極，有著高比容量、反應(yīng)點(diǎn)位適中等優(yōu)點(diǎn)，慢慢走入人們視野，受到產(chǎn)業(yè)界關(guān)注。合金化負(fù)極是通過(guò)合金元素負(fù)極與電解液中的金屬陽(yáng)離子之間的電化學(xué)合金化反應(yīng)來(lái)發(fā)揮作用的。這些合金化負(fù)極材料往往具備出色的儲(chǔ)存金屬陽(yáng)離子能力（例如 AlLi ）和優(yōu)異的導(dǎo)電性（例如 Al）。然而，在充放電過(guò)程中合金化負(fù)極體積變化劇烈、倍率性能和循環(huán)穩(wěn)定性較差，這些因素嚴(yán)重阻礙了其實(shí)際應(yīng)用，有待學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界突破。

我國(guó)在雙離子電池主要領(lǐng)域也進(jìn)行了大量研究。例如在雙離子電池負(fù)極研究方面，以 深圳先進(jìn)技術(shù)研究院 為代表，首次提出陽(yáng)離子合金化與陰離子插層協(xié)同氧化還原儲(chǔ)能新機(jī)理，完成新型鋁-石墨雙離子電池體系搭建，并且簡(jiǎn)化電池結(jié)構(gòu)，顯著提升能量密度、倍率性能和安全性；除此之外深圳先進(jìn)院團(tuán)隊(duì)與 愛(ài)瑪電動(dòng)車(chē) 就雙離子電池等產(chǎn)品和技術(shù)進(jìn)行深度合作與交流，目前已進(jìn)入詳細(xì)設(shè)計(jì)階段。

在雙離子電池正極研究方面，以 中山大學(xué) 閻興斌課題組為代表，針對(duì)碳基正極材料微觀結(jié)構(gòu)與電子/離子輸運(yùn)特性的影響關(guān)系和性能調(diào)控規(guī)律進(jìn)行了系統(tǒng)研究。在雙離子電池電解液研究方面，以 中科院長(zhǎng)春應(yīng)用化學(xué)研究所 王宏宇課題組為代表，2016 年首次報(bào)道了基于抗氧化性高的環(huán)丁砜電解液體系。在雙離子電池電極/電解液界面穩(wěn)定性提升方面， 中科院青島生物能源與過(guò)程研究所 崔光磊課題組首次采用鈦酸鋰作為石墨正極表面包覆層。

在雙離子電池產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用方面，日本作為最早商業(yè)化雙離子電池的國(guó)家，誕生了如 Power Japan Plus 公司為代表的一批企業(yè)。近些年，國(guó)內(nèi)也開(kāi)始了雙離子電池的產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程，目前已進(jìn)入中試研發(fā)量產(chǎn)階段。

深圳先進(jìn)技術(shù)研究院及其孵化企業(yè) 深圳中科瑞能 率先開(kāi)展了雙離子電池的中試研發(fā)并形成完善的知識(shí)產(chǎn)權(quán)布局，已經(jīng)建成了雙離子電池電芯及模組的中試產(chǎn)線，開(kāi)發(fā)出了單體容量 20Ah、能量密度達(dá)到 160Wh/kg 左右的雙離子電池電芯，通過(guò)第三機(jī)構(gòu)檢測(cè)，在 10C 倍率下循環(huán) 8000 次容量保持率為 86.3%，并初步實(shí)現(xiàn)了 60kWh 雙離子電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的應(yīng)用示范。

現(xiàn)階段，雙離子電池?zé)o論是從體積能量密度來(lái)看，還是重量能量密度，距離鋰離子電池還有很大差距。主要是因?yàn)殡p離子電池對(duì)電解液的需求遠(yuǎn)高于普通鋰離子電池，故電解液在電池中重量占比過(guò)大，引起能量密度的降低，同時(shí)電解液用量過(guò)大也導(dǎo)致了雙離子電池在現(xiàn)階段成本也要顯著高于鋰離子電池。同時(shí)，電解液作為雙離子電池活性電荷載體唯一來(lái)源，對(duì)電池性能起著至關(guān)重要的作用。因此，選擇良好的電解液以確保足夠的離子電導(dǎo)率和優(yōu)異的電化學(xué)穩(wěn)定性是雙離子電池的發(fā)展的一大方向。

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