近日，中國(guó)科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院集成所功能薄膜材料研究中心研究員唐永炳及其研究團(tuán)隊(duì)聯(lián)合香港理工大學(xué)教授鄭子劍等人提出一種柔性界面設(shè)計(jì)策略，對(duì)高容量硅負(fù)極進(jìn)行界面應(yīng)力調(diào)控，并將其成功應(yīng)用于新型硅-石墨雙離子電池，相關(guān)研究成果"FlexibleInterfaceDesignforStressRegulationofaSiliconAnodetowardHighlyStableDual-IonBatteries"已在線發(fā)表于國(guó)際材料期刊《先進(jìn)材料》上（Adv.Mater.2020,1908470）。

硅負(fù)極具有高理論容量（4200mAhg-1），儲(chǔ)量豐富，是提高雙離子電池能量密度的理想負(fù)極材料。然而，硅負(fù)極嚴(yán)重的體積膨脹（>300%）問(wèn)題制約了其在雙離子電池中的應(yīng)用。雖然研究人員提出了納米化、多孔結(jié)構(gòu)、復(fù)合結(jié)構(gòu)等多種改性方案，但多數(shù)采用金屬材料作為集流體，硅負(fù)極與集流體之間的剛性界面接觸造成界面應(yīng)力集中，從而導(dǎo)致界面開(kāi)裂甚至活性材料剝落，使得循環(huán)性能難以滿(mǎn)足實(shí)際應(yīng)用要求。

基于此，唐永炳及其團(tuán)隊(duì)成員蔣春磊、項(xiàng)磊、繆仕杰等人提出一種柔性界面設(shè)計(jì)策略，對(duì)界面應(yīng)力進(jìn)行有效調(diào)控。通過(guò)將硅負(fù)極構(gòu)筑于柔性聚合物織物表面，并在二者之間設(shè)計(jì)具有良好導(dǎo)電性的界面緩沖層，從而顯著緩解界面應(yīng)力集中，材料經(jīng)過(guò)50000次彎折后仍保持良好的結(jié)構(gòu)完整性。團(tuán)隊(duì)將其與膨脹石墨正極材料進(jìn)行匹配，成功構(gòu)筑出新型硅-石墨雙離子電池（SGDIB）；研究表明：該雙離子電池具有高達(dá)150C（充電＜30秒）的超高倍率和長(zhǎng)循環(huán)壽命，在10C倍率下循環(huán)2000次后的容量保持率高達(dá)97%。此外，這種柔性硅-石墨電池展現(xiàn)出優(yōu)異的柔性和抗彎折能力，1500次彎折后容量保持率為——84%，在10000次彎折過(guò)程中的單次壓降僅為0.0015%，在高性能柔性?xún)?chǔ)能領(lǐng)域展現(xiàn)出良好的應(yīng)用前景。該研究同時(shí)為改善高容量合金化負(fù)極的循環(huán)穩(wěn)定性提供了一種有效的解決策略。

該研究得到國(guó)家自然科學(xué)基金、廣東省科技計(jì)劃、深圳市科技計(jì)劃等資助。

（a）常規(guī)剛性界面硅負(fù)極的結(jié)構(gòu)破壞示意圖；（b）柔性界面硅負(fù)極設(shè)計(jì)及制備流程及其（c）合金化/去合金化過(guò)程中的彈性界面的穩(wěn)定機(jī)理示意圖。

新型鋁—石墨雙離子電池

此前，該院集成所功能薄膜材料研究中心成功開(kāi)發(fā)出一種新型鋁—石墨雙離子電池，可大幅度提升的使用性能。

根據(jù)該研究中心的介紹，這種新型AGDIB電池采用廉價(jià)且易得的石墨替代傳統(tǒng)鋰電中高成本且含重金屬的過(guò)渡金屬氧化物或磷酸鐵鋰作為電池正極材料；采用鋁箔同時(shí)作為電池負(fù)極材料和負(fù)極集流體；以常規(guī)鋰鹽和碳酸脂溶劑為電解液。該電池工作原理有別于傳統(tǒng)鋰離子電池，充電過(guò)程中，正極石墨發(fā)生陰離子插層反應(yīng)，而鋁負(fù)極發(fā)生鋁-鋰合金化反應(yīng)，放電過(guò)程則相反。這種新型反應(yīng)機(jī)理不僅顯著提高了電池的工作電壓（3.8-4.6V），同時(shí)大幅降低電池的質(zhì)量、體積、及制造成本，從而全面提升了全電池的能量密度。

該研究中心對(duì)外宣稱(chēng)，初步估算該類(lèi)型電池的全電池質(zhì)量能量密度和體積能量密度將高達(dá)約222Wh/kg。500Kg重量的AGDIB電池的續(xù)航里程可達(dá)到約550公里。與傳統(tǒng)的鋰電技術(shù)相比，這種電池具有明顯的優(yōu)勢(shì)，不僅生產(chǎn)成本降低約40-50%，同時(shí)能量密度提高至少1.3-2.0倍。若這種鋁-石墨電池成功實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，將大幅提升現(xiàn)有便攜式電子設(shè)備，電動(dòng)汽車(chē)，以及新能源儲(chǔ)能系統(tǒng)的使用性能。不過(guò)，目前該電池技術(shù)還有待優(yōu)化，比如需要進(jìn)一步提高電池的循環(huán)穩(wěn)定性等。

五種電池新技術(shù)

1.硅基電池

鋰離子電池傳統(tǒng)上使用石墨陽(yáng)極，但研究人員和公司現(xiàn)在專(zhuān)注于硅陽(yáng)極。Si主導(dǎo)陽(yáng)極可以比石墨離子結(jié)合鋰離子25倍。然而，這些電池具有低導(dǎo)電率，慢擴(kuò)散速率和鋰化期間的大體積波動(dòng)。這些限特種致Si粉碎和固體電解質(zhì)中間相（SEI）的不穩(wěn)定性。

已經(jīng)采用兩種主要策略來(lái)規(guī)避這些挑戰(zhàn)：納米技術(shù)和碳涂層。在前一種方法中，使用各種納米尺寸的Si陽(yáng)極，與體硅陽(yáng)極相比，它具有高表面積，改善的循環(huán)壽命和速率穩(wěn)定性。它們還可以承受鋰化和脫鋰而不會(huì)開(kāi)裂。碳涂層使用納米Si與不同形式的碳材料的組合來(lái)生成高性能Si/C納米復(fù)合陽(yáng)極。最近，具有雜原子作為涂層劑的摻雜碳引起了很多關(guān)注。雜原子摻雜的Si-C電極比碳原子更強(qiáng)地結(jié)合Li離子，導(dǎo)致具有穩(wěn)定導(dǎo)電性的優(yōu)異電化學(xué)性能。

由于Si基電池具有低成本和增強(qiáng)的汽車(chē)和智能手機(jī)功能的潛力，因此產(chǎn)生了許多商業(yè)利益。競(jìng)爭(zhēng)非常激烈，許多創(chuàng)業(yè)公司，包括SilaNanotechnologies，Enovix，AngstronMaterials和Enevate，都將Si主導(dǎo)的鋰離子電池商業(yè)化。

2.室溫鈉硫（RT-NaS）電池

由于Na和Li離子的物理和化學(xué)性質(zhì)相似，鋰硫電池最有前途的替代品之一是鈉硫電池。但是，電池工作需要高溫（>300°C）。作為一種有前景的替代方案，低成本RT-NaS電池系統(tǒng)已經(jīng)產(chǎn)生了廣泛的研究興趣，可用于大規(guī)模電網(wǎng)應(yīng)用，具有更高的安全性。然而，由于電池內(nèi)的復(fù)雜反應(yīng)，RT-NaS電池的理論容量較低。

在2018年已經(jīng)使用各種方法來(lái)解決RT-NaS電池的問(wèn)題。

·由Sadoway博士領(lǐng)導(dǎo)的麻省理工學(xué)院的一組研究人員專(zhuān)注于膜，以解決RT-NaS陽(yáng)極和陰極組件之間β氧化鋁陶瓷電解質(zhì)膜的脆性和易碎性問(wèn)題。他們證明，涂有氮化鈦溶液的鋼網(wǎng)作為工業(yè)規(guī)模儲(chǔ)存系統(tǒng)的更強(qiáng)和更靈活的材料。該方法為電池設(shè)計(jì)開(kāi)辟了新的途徑，因?yàn)樗部梢詰?yīng)用于其他熔融電極電池化學(xué)品。

可充電電池的新方法。RT-NaS電池，帶金屬網(wǎng)膜

·澳大利亞臥龍崗大學(xué)的研究人員專(zhuān)注于電極設(shè)計(jì)。他們建立了一個(gè)有效的硫陰極，原子鈷錨定在空心碳納米球的微孔中。合成的陰極表現(xiàn)出優(yōu)異的電化學(xué)性能。

用鈷納米顆粒修飾的中空碳的合成示意圖

·發(fā)表在最近的研究“自然”，科學(xué)家們使用一個(gè)多功能的碳酸鹽電解質(zhì)與高電化學(xué)性能和更高的安全性。該方法可以應(yīng)用于各種Na基可充電電池系統(tǒng)，以推進(jìn)低成本和高性能的能量存儲(chǔ)裝置。

PC電解質(zhì)中常規(guī)1MNaTFSI和（右）PC中的2MNaTFSI電解質(zhì)的示意圖：具有10mMIn

雖然RT-NaS電池仍處于早期開(kāi)發(fā)階段，但由Ambard博士（Sadoway博士領(lǐng)導(dǎo)的麻省理工學(xué)院衍生公司）等公司正致力于改善電池設(shè)計(jì)。通過(guò)上面討論的持續(xù)研究工作和方法，下一代基于NaS的儲(chǔ)能技術(shù)很快就會(huì)成為現(xiàn)實(shí)。

3.質(zhì)子電池

許多研究工作致力于生產(chǎn)高性能質(zhì)子交換膜（PEM）燃料電池。然而，PEM燃料電池的可行性由于其高成本，氫氣的運(yùn)輸和儲(chǔ)存而成為挑戰(zhàn)。

RMIT大學(xué)的一組研究人員最近首次報(bào)道了質(zhì)子電池的技術(shù)可行性。它由兩部分組成：用于儲(chǔ)存水中氫或質(zhì)子的碳電極和用于從氫發(fā)電的可逆PEM燃料電池。電池設(shè)計(jì)是創(chuàng)新的，因?yàn)樗褂没钚蕴孔鳛殡姌O，其便宜，豐富且結(jié)構(gòu)穩(wěn)定以用于儲(chǔ)氫，并且多孔材料內(nèi)的少量液體酸將質(zhì)子傳導(dǎo)到可逆電池的膜和從可逆電池的膜傳導(dǎo)質(zhì)子。使用這種電池，可以實(shí)現(xiàn)1.8V的電壓。

雖然這是高效氫動(dòng)力能源生產(chǎn)的重要一步，但這項(xiàng)技術(shù)的商業(yè)化還有很長(zhǎng)的路要走。該團(tuán)隊(duì)估計(jì)電池的可用性將在五到十年內(nèi)。ABBMarine和SintefOcean還在測(cè)試一個(gè)兆瓦級(jí)的推進(jìn)裝置，為使用氫燃料電池的商用和客船提供動(dòng)力。由于這些電池根本不需要鋰離子，除了使用鉑作為催化劑之外，其余材料便宜且豐富，因此可能成為目前鋰離子電池的主要競(jìng)爭(zhēng)者。

4.石墨雙離子電池

近年來(lái)，使用鋰以外的金屬的雙離子電池（DIB）引起了人們對(duì)大規(guī)模固定電力存儲(chǔ)的興趣。研究工作是通過(guò)增加電解質(zhì)的離子含量和電極儲(chǔ)存電荷的能力來(lái)增加DIB的能量密度。

·研究人員展示了一種使用石墨陰極和鉀陽(yáng)極的新型無(wú)鋰石墨雙離子電池，稱(chēng)為石墨雙離子電池（GDIB）。研究小組確定了DIB的無(wú)鋰電極-電解質(zhì)組合，以增加細(xì)胞的能量密度。他們使用濃縮電解質(zhì)溶液，證明能效與鋰離子電池相當(dāng)。

·使用鋁鹽電解質(zhì)，研究團(tuán)隊(duì)首次開(kāi)發(fā)出石墨-石墨雙離子電池（GGDIB）。該電池價(jià)格低廉，環(huán)保，并且具有出色的循環(huán)和速率性能，適用于未來(lái)的儲(chǔ)能應(yīng)用。

·在另一種有希望的DIB方法中，華南理工大學(xué)的研究人員報(bào)告了Zn/石墨雙離子電池的開(kāi)發(fā)。由于離子電解質(zhì)具有許多吸引人的特性，包括抑制Zn表面上的枝晶形成，低揮發(fā)性，不燃性和高熱穩(wěn)定性，用于工業(yè)應(yīng)用的高性能和安全的Zn/石墨離子電池很快就會(huì)成為現(xiàn)實(shí)。

5.鋁離子電池

鋁正在被研究作為鋰離子電池的潛在替代品，其中包含豐富，廉價(jià)，易得和廉價(jià)的鋁。來(lái)自蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院的瑞士研究人員提出了兩項(xiàng)新技術(shù)，這些技術(shù)是鋁基電池商業(yè)化的墊腳石。

·第一種是耐腐蝕涂層材料，氮化鈦（TiN）陶瓷，用于這些電池。TiN涂層材料的優(yōu)異氧化穩(wěn)定性使這些電池能夠獲得高能量密度，高庫(kù)侖效率和高循環(huán)能力。由于TiN集電器具有優(yōu)異的耐腐蝕性，它們甚至可以用作Mg，Na或Li離子電池中的高壓陰極材料。

·另一個(gè)有希望的解決方案是使用作為鋁離子電池的高性能陰極材料。這些電池通常使用基于石墨的陰極，其由于氯鋁酸鹽陰離子而變形。研究人員使用定制電池測(cè)試聚芘及其衍生物聚（硝基芘-共聚芘）作為陰極材料，發(fā)現(xiàn)其儲(chǔ)存的能量與石墨陰極相同。此外，聚芘還為開(kāi)發(fā)可充電鋁離子電池提供了許多其他可能性，包括低成本，高豐度，生產(chǎn)可擴(kuò)展性以及成分和結(jié)構(gòu)可調(diào)性。

用聚芘陰極和氯鋁酸鹽離子液體充電期間可充電鋁電池的工作原理示意圖

這些研究成果顯示出將鋁離子電池商業(yè)化的巨大潛力，可用作該行業(yè)的廉價(jià)存儲(chǔ)解決方案。