Chem最新综述：适用于大规模储能的阴离子穿梭型电池

【文章信息】

第一作者：刘琦王翌州

通讯作者：周栋*，李宝华*，纪秀磊*，汪国秀*

单位：清华大学，悉尼科技大学，俄勒冈州立大学

【研究背景】

锂离子电池的问世对人们的生活带来了翻天覆地的变化。然而，锂离子电池中的锂和过渡金属（比如钴、镍）储量有限且价格高昂，难以满足近年来经历快速发展的电动汽车以及电网储能等领域的需求。因此，开发具有低成本且高能量密度的新型电池体系十分重要。其中，阴离子穿梭型二次电池受到了广泛关注。一方面，阴离子通常基于氟，氯等储量丰富的元素，且普遍采用石墨等廉价电极材料，因而具有较低的生产成本；另一方面，阴离子型电池普遍具有与碱金属电池相比较高的理论体积能量密度。这些优点使其成为极具潜力的新一代储能体系。在本文中，我们深入解析该类电池中阴离子的物理化学过程，并系统综述了”摇椅式”阴离子电池、双离子型电池以及反向双离子型电池近年来的进展，并在最后对于促进阴离子型电池在未来大规模储能方向的应用提出了分析与展望。

【文章简介】

近日，来自清华大学的李宝华教授与美国俄勒冈州立大学的纪秀磊教授、澳洲悉尼科技大学的汪国秀教授和周栋博士合作，在国际知名期刊Chem上发表题为“Rechargeable anion-shuttle batteries for low-cost energy storage”的综述文章。阴离子型电池具体包括“摇椅式”阴离子电池，双离子型电池（包括插入型，转换型，以及转换插入型），以及反向双离子型电池三类。该文章首次对不同类型的阴离子型电池的穿梭机制提供了全面且深入的分析，在此基础上，回顾了应用于阴离子型电池中的电极材料和电解质的最新研究进展和当前面临的挑战。最后，总结了阴离子型电池发展的现有难题，并展望了阴离子型电池技术在未来大规模储能领域的应用前景。

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【本文要点】

要点一：回顾了阴离子型电池的历史发展历程

首先阐述了阴离子型电池的基础电化学特征及历史起源，随后概述了其发展的历史轨迹。

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Figure 1. 阴离子型电池的历史发展过程

要点二：深入解析不同类别阴离子型电池的穿梭机制

基于阴离子穿梭行为的差异，将阴离子型电池分为“摇椅式”阴离子电池，双离子型电池（包括插入型，转换型，以及转换插入型），以及反向双离子型电池三类。探讨了每类阴离子型电池在充放电过程中的工作机制和电化学行为特征，为未来阴离子型电池中电极材料与电解质的设计提供了理论基础。

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Figure 2. 不同类别的阴离子型电池工作原理。(A)“摇椅式”阴离子电池；(B) 插入型双离子电池；(C) 转化插入型双离子电池；(D) 反双离子型电池

要点三：总结了不同类别的阴离子型电池中电极以及电解质材料的研究进展以及存在的挑战

1讨论了第一类阴离子型电池：“摇椅式”阴离子电池（主要包括氟离子电池和氯离子电池）在不同正负极材料中的阴离子存储机制，随后从水系电解质和非水系电解质两方面对该类电池的最新进展进行了解析。

2 分析了三种第二类阴离子型电池：从插入型、转化型以及插入转化型方面探讨了双离子型电池中各类阴离子的嵌入-脱出机理，并且系统地总结了基于不同阴离子插入电极材料（石墨和非石墨）和各种电解质体系（水性电解质和非水性电解质）的双离子型电池的最新研究进展。

3 总结了第三类阴离子型电池：反向双离子型电池在水系电解质中的研究进展。

要点四：展望

对比了阴离子型电池与传统碱金属离子电池在能量密度以及成本等方面的优劣，指出当前阴离子型电池存在的挑战并相应地给出了未来的发展建议，有望促进阴离子型电池在大规模储能领域的未来发展。

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Figure 3. 各类电池化学性质的对比。(A) 各类电池理论能量密度的对比示意图. 除了正负极质量，双离子型和反双离子型电池能量密度的计算还考虑了电化学过程中涉及的盐的质量；(B) 各类电池成本的对比示意图. 除了正负极质量，双离子型和反双离子型电池能量密度的计算还考虑了电化学过程中涉及的盐的质量；(C) 各类电池基于以下六方面的雷达图。A: 低成本; B: 充放电压平台; C: 安全性; D: 体积能量密度; E: 循环寿命; F: 倍率性能

【文章链接】

Rechargeable anion-shuttle batteries low-cost energy storage

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2451929421000541

【通讯作者简介】

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李宝华教授简介：清华大学深圳国际研究生院材料研究院副院长，教授，博导，目前担任《Energy & Environmental Materials》副主编，《Journal of Materials Chemistry A》期刊编委。自1998年起从事电化学储能材料与器件研究工作，已取得了系列研究成果，在Nature Communications, Energy & Environmental Science, Advanced Materials, Angewandte Chemie-International Edition，Chem，Advanced Energy Materials，Nano Energy，ACS Nano，Nano Letter，Energy and Storage Materials，Journal of Materials Chemistry A等国际知名期刊发表SCI论文近300篇，其中发表在IF>10期刊论文80余篇，21篇ESI高被引用论文（TOP 1%），H因子59，SCI引用11000余次；共申请发明专利136项、PCT专利12项，已获授权美国专利1项、日本专利1项和中国专利79项。

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季秀磊教授（David Ji）简介：于2003年在吉林大学化学学院取得学士学位, 于2006年和2009年在加拿大滑铁卢大学化学系取得硕士和博士学位。2010在滑铁卢大学进行了博士后研究。2010底到2012年七月，在美国加州大学圣巴巴拉分校进行了博士后研究。2012年到2017年，任美国俄勒冈州立大学化学系助理教授。2017年至今，任俄勒冈州立大学化学系副教授（终身教授）。至今在学术期刊上共发表论文104 篇，总引用超过15000次（谷歌学术数据）。他获得的主要奖项包括：2009 年中国国家优秀自费留学生奖，2010 加拿大国家自然科学和工程研究委员会博士后奖、创新奖，和2016年美国国家科学基金会 CAREER 奖。

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汪国秀教授简介：澳大利亚悉尼科技大学（UTS）杰出教授，清洁能源技术中心（CCET）主任。材料化学，电化学，能量存储和转换以及电池技术领域专家。目前担任《Electrochemical Energy Review》（Springer-Nature）的副编辑，以及《Scientific Reports》（Nature Publishing Group）和《Energy Storage Materials》（Elsevier）的编委会成员。研究领域包括锂离子电池，锂空气电池，钠离子电池，锂硫电池，超级电容器，储氢材料，燃料电池，2D材料（例如石墨烯和MXene）以及用于制氢的电催化。目前已发表520余篇期刊论文，总被引40,000余次，h指数为107。于2018年与2019年被Web of Science / Clarivate Analytics评选为材料科学领域高被引学者，并于2018年被评选为化学领域高被引学者。

【第一作者介绍】

刘琦，清华大学在读博士生

期间在李宝华教授的指导下从事锂金属二次电池中固态电解质等新型电池储能方面的研究，迄今为止已在Angewandte Chemie Int. Ed, ACS Energy Letters, Chem, Energy Storage Materials等知名学术期刊发表SCI论文15篇（其中以第一作者或共同第一作者身份发表SCI论文共6篇）。

王翌州，悉尼科技大学待入学博士生

期间在汪国秀教授和周栋博士的指导下从事新型二次电池的研究。