雙離子電池有望解決電動汽車的續(xù)航問題

鋰離子電池比能量高，循環(huán)性能好，在消費電子領(lǐng)域取得了巨大的成功，但是鋰離子電池也是高成本的代名詞，特別是在電動汽車這種對鋰離子電池有著巨大需求的領(lǐng)域，對鋰離子電池的成本將更加敏感。但是受限于原材料價格高企，特別是碳酸鋰、Co和Ni等原材料在近期都有較大幅度的價格上漲，鋰離子電池目前的成本降低的空間有限。

為了降低單位Wh的成本，人們開發(fā)了多種高能量密度的蓄電池，例如Li-O2電池，理論比能量可達(dá)3600Wh/kg(2Li++O2+2e-=Li2O2，2.96V vs Li/Li+)，遠(yuǎn)高于鋰離子電池，并且具有環(huán)境友好等特點。為了進(jìn)一步降低成本，人們還以Na，Zn等替代金屬Li，開發(fā)Na-O2和Zn-O2電池，目前這些技術(shù)還都處在基礎(chǔ)技術(shù)研發(fā)階段，目前主要研究主要集中在金屬-電解液界面研究和放電產(chǎn)物研究等方面，其中Li-O2電池開發(fā)難度較小，研究比較充分，有希望能在短期內(nèi)進(jìn)行應(yīng)用。

此外Li-S電池也是研究的熱點，S的理論比容可達(dá)1672mAh/g，理論比能量達(dá)到2600Wh/kg，雖然遜色于Li-O2電池，但也要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于鋰離子電池。目前Li-S電池存在的主要問題是，S的導(dǎo)電性差，接近絕緣體，體積膨脹大(80%)，S正極的嵌鋰產(chǎn)物會溶解在電解液里，在正負(fù)極之間穿梭，導(dǎo)致容量快速衰降，循環(huán)和儲存性能差。目前鋰離子電池上常用的酯類電解液由于存在較多的副反應(yīng)而無法在Li-S電池上應(yīng)用，所以Li-S電池一般采用醚類電解液，導(dǎo)致電池的高溫性能很差。為了克服上述問題，研究者分分采用S納米化、表面包覆改性和全新的固態(tài)電解質(zhì)等方法克服，目前Li-S電池的研究已經(jīng)取得了許多重要的進(jìn)展，因此Li-S電池也是最有希望在短期內(nèi)取代鋰離子電池的高比能儲能體系。

儲能領(lǐng)域從來都不缺乏攪局者，最近幾年新興的雙離子電池就是其中之一。與鋰離子電池的正負(fù)極之間只有Li+在參加反應(yīng)不同，雙離子電池的充電的過程中，陰離子在電場的作用下向陽極遷移，嵌入到陽極結(jié)構(gòu)之中，陽離子向陰極遷移，嵌入到陰極之中，放電的過程則與之相反，陽極和陰極中的離子脫出，回到電解液中，恢復(fù)電解液的濃度。目前雙離子電池使用的正極材料主要是石墨材料，其實陰離子能夠嵌入到石墨結(jié)構(gòu)中早在1938就由Ru?dorff和Hofmann發(fā)現(xiàn)，但是由于陰離子的嵌入電勢較高，因此早期的雙離子電池的電解液使用高濃度的酸溶液作為電解液，這會帶來很大的安全隱患。直到90年代，隨著鋰離子電池的商業(yè)化應(yīng)用，人們發(fā)現(xiàn)如果將鋰離子電池的正極替換為能夠嵌入陰離子的石墨類材料，可以獲得較高電壓的雙離子電池。隨后的幾十年人們開始對雙離子電池展開了深入的研究，特別是對陰離子嵌入到石墨結(jié)構(gòu)中的機(jī)理進(jìn)行了深入的研究「1」。

下圖是一些常見的應(yīng)用在雙離子電池的電解液和它們在不同的石墨材料中的嵌入電勢「2」，從這張表上我們可以注意到，常見的PF6+酯類電解液在雙離子電池中，PF6嵌入到石墨結(jié)構(gòu)中的電勢都達(dá)到5V以上，這也導(dǎo)致了一個嚴(yán)峻的問題——高電壓導(dǎo)致的電解液不穩(wěn)定，從而使得電池在循環(huán)中庫倫效率持續(xù)下降，循環(huán)性能較差。近年來隨著離子液體技術(shù)的不斷發(fā)展，離子液體的高熱穩(wěn)定性，低粘度和寬電化學(xué)窗口，讓我們看到了雙離子電池的希望。

雖然目前學(xué)界針對雙離子電池的報道很多，但是目前我們對陰離子嵌入到石墨中的結(jié)構(gòu)還了解較少，Kolja Beltrop的研究顯示陰離子的直徑對其嵌入行為有著顯著的影響，陰離子直徑越大嵌入到石墨中就越困難(還要考慮到陰離子與電解液溶劑的共同作用)「2」。

日本科學(xué)家Tatsumi Ishihara針對PF6嵌入到石墨中的行為研究發(fā)現(xiàn)，隨著PF6的嵌入，石墨片層之間的距離逐漸擴(kuò)大，最大可達(dá)到0.4nm(石墨片之間的層間距初始為0.336nm)，同時還在較高的電勢下發(fā)現(xiàn)石墨結(jié)構(gòu)中出現(xiàn)了納米氣泡的結(jié)構(gòu)，這些納米氣泡結(jié)構(gòu)也使得石墨負(fù)極的容量大幅提高，達(dá)到147mAh/g，這已經(jīng)與LiCoO2的比容量相近了「3」。

來自中國科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院和中國科技大學(xué)的Panpan Qin等人共同開發(fā)了一款A(yù)l基負(fù)極的雙離子電池，Panpan Qin在Al箔上制備了一層碳包覆中空Al納米球，不僅很好的抑制了嵌鋰過程中產(chǎn)生的應(yīng)力，還降低了電流密度，從而使得該電池具有極佳的循環(huán)性能，在2C下循環(huán)1500次，容量保持率可達(dá)99%，在1780W/kg的功率密度下，該電池的能量密度達(dá)到了142Wh/kg，這一數(shù)據(jù)要高于大多數(shù)的商業(yè)鋰離子電池的數(shù)據(jù)(關(guān)于該成果的詳細(xì)內(nèi)容我們將在下一篇文章中詳細(xì)介紹)。

上一個三十年是屬于鋰離子電池的時代，下一個三十年會是屬于那種電池呢?Li-S電池、Li-O2電池和雙離子電池，究竟誰會成為鋰離子電池的掘墓人呢?我們來分析一下雙離子電池的優(yōu)勢，首先是成本，雙離子電池正負(fù)極采用的都是石墨材料，光是這一點就要比采用NCA，NCM和LCO正極材料的鋰離子電池成本低很多。其次是環(huán)保屬性，雙離子電池幾乎不含有重金屬成分，正負(fù)極的石墨材料也很好處理，不會對環(huán)境產(chǎn)生嚴(yán)重的重金屬污染。最重要的是工藝優(yōu)勢，目前的鋰離子電池生產(chǎn)設(shè)備和工藝完全可以用于雙離子電池的生產(chǎn)，可以說雙離子電池的技術(shù)一旦成熟，并開始推廣，現(xiàn)有的鋰離子電池生產(chǎn)廠家可以在不更換設(shè)備的前提下，段時間內(nèi)實現(xiàn)快速轉(zhuǎn)型。

Li-S電池、Li-O2電池和雙離子電池究竟誰能夠取代鋰離子電池，贏得下一個三十年，您怎么看呢?