双离子电池，双优势或逆袭锂电？

来源：DeepTech深科技

双离子电池（DIB）作为一种新型的高性价比、高工作电压、环保的储能装置而备受关注。双离子电池具有阴阳离子协同氧化还原储能机理，可同时获得较高的功率和能量密度，相对锂离子电池而言，具备安全优势、成本优势双重优点，曾被国际纯粹与应用化学联合会（IUPAC）评为 2020 年度“十大新兴技术”。

双离子电池的概念是由双炭电池（DCBs）或双石墨电池（DGBs）发展而来的，源于对石墨层间化合物（GICs）的研究。

随着电动汽车的快速发展，锂离子电池不断攻城略地，然而在市场高热之下，危机也已悄然出现，电动汽车的续航里程持续增加，对动力电池能量密度、成本等的要求也逐渐提高。现有锂离子电池能量密度已经接近理论极限，且锂、钴和镍等原材料价格给锂离子电池成本带来很大的压力。

为了应对这些危机，布局新技术、新产品是唯一的选择。在学术界和产业界的共同努力下，众多新技术跃跃欲试；如全固态电池、锂空气电池等。而双离子电池这匹黑马，近年来发展迅猛，实力不容小觑。

双离子电池体系中参与电化学反应的并不是单一离子，相对应的，锂离子电池中在正负极之间穿梭的只有 Li+ 一种离子，电解液中的阴离子并不参与反应。而在双离子电池中，不但阳离子能够发生嵌入反应，电解液中的阴离子也能够发生嵌入反应，因此得名双离子电池。

图(a) 传统摇椅式电池（如锂电）结构示意图；(b) 双离子电池结构示意图（来源：《双离子电池电解液和电极材料的设计优化》）

对于双离子电池的早期研究大多基于石墨-石墨电池体系，即石墨同时作为电池的正负极材料。

在正极材料方面，双离子电池正极一般采用石墨类碳基材料，通过阴离子的插层/脱嵌过程实现电池的充放电。石墨作为一种很好的储能材料，硬碳、软碳作为价格便宜且效果良好的储能材料已被用于锂离子电池、钠离子电池等领域，产业化走在前列。

在电解液方面，双离子电池电解液除了充当离子传输媒介外，还是充放电过程中的活性离子来源，因此对电池容量、循环寿命、能量密度等电化学性能具有重要影响。电解液浓度将影响阴离子的储存行为，高浓度的电解液可降低阴离子起始嵌入电位但动力学相对缓慢，低浓度电解液有利于阴离子的传输动力学但比容量相对较低。因此，研究人员不仅要针对电解液中阴离子嵌入石墨正极层间的储存行为进行系统研究，还需要考虑电解液与阳离子嵌入负极材料的相容性问题；从而构建一种既适用于正极储能又适用于负极储能的电解液体系。

在负极材料方面，双离子电池常用负极材料主要有碳基材料、过渡金属氧化物/硫化物、有机负极材料及合金化负极材料等。特别是合金化负极，有着高比容量、反应点位适中等优点，慢慢走入人们视野，受到产业界关注。合金化负极是通过合金元素负极与电解液中的金属阳离子之间的电化学合金化反应来发挥作用的。这些合金化负极材料往往具备出色的储存金属阳离子能力（例如 AlLi ）和优异的导电性（例如 Al）。然而，在充放电过程中合金化负极体积变化剧烈、倍率性能和循环稳定性较差，这些因素严重阻碍了其实际应用，有待学术界和产业界突破。

我国在双离子电池主要领域也进行了大量研究。例如在双离子电池负极研究方面，以深圳先进技术研究院为代表，首次提出阳离子合金化与阴离子插层协同氧化还原储能新机理，完成新型铝-石墨双离子电池体系搭建，并且简化电池结构，显著提升能量密度、倍率性能和安全性；除此之外深圳先进院团队与爱玛电动车就双离子电池等产品和技术进行深度合作与交流，目前已进入详细设计阶段。

在双离子电池正极研究方面，以中山大学阎兴斌课题组为代表，针对碳基正极材料微观结构与电子/离子输运特性的影响关系和性能调控规律进行了系统研究。在双离子电池电解液研究方面，以中科院长春应用化学研究所王宏宇课题组为代表，2016 年首次报道了基于抗氧化性高的环丁砜电解液体系。在双离子电池电极/电解液界面稳定性提升方面，中科院青岛生物能源与过程研究所崔光磊课题组首次采用钛酸锂作为石墨正极表面包覆层。

在双离子电池产业化应用方面，日本作为最早商业化双离子电池的国家，诞生了如 Power Japan Plus 公司为代表的一批企业。近些年，国内也开始了双离子电池的产业化进程，目前已进入中试研发量产阶段。

深圳先进技术研究院及其孵化企业深圳中科瑞能率先开展了双离子电池的中试研发并形成完善的知识产权布局，已经建成了双离子电池电芯及模组的中试产线，开发出了单体容量 20Ah、能量密度达到 160Wh/kg 左右的双离子电池电芯，通过第三机构检测，在 10C 倍率下循环 8000 次容量保持率为 86.3%，并初步实现了 60kWh 双离子电池储能系统的应用示范。

现阶段，双离子电池无论是从体积能量密度来看，还是重量能量密度，距离锂离子电池还有很大差距。主要是因为双离子电池对电解液的需求远高于普通锂离子电池，故电解液在电池中重量占比过大，引起能量密度的降低，同时电解液用量过大也导致了双离子电池在现阶段成本也要显著高于锂离子电池。同时，电解液作为双离子电池活性电荷载体唯一来源，对电池性能起着至关重要的作用。因此，选择良好的电解液以确保足够的离子电导率和优异的电化学稳定性是双离子电池的发展的一大方向。