双离子电池革新柔性储能

硅石墨双离子电池

目前，锂离子电池已经成为便携式电子设备、电动汽车、可再生能源系统等领域的主要能量转换和存储设备。

虽然商用锂离子电池的能量密度有所提高，但其制造成本相对较高，且不容易回收。在便携式电子设备、可再生清洁能源、电网调峰等领域，很难满足高能量密度、低成本、环保的储能装置的性能要求。

最近，中国科学院深圳先进技术研究所功能薄膜材料研究中心(以下简称深圳先进技术研究所)研究员唐永兵和香港理工大学教授郑子健成功研制出一种新型硅石墨双离子电池。该电池在数万次弯曲过程中，单次压降仅为0.0015%，在10℃下循环2000次后，容量保持率高达97%，在柔性储能领域具有良好的应用前景唐永冰告诉《中国科学日报》。相关论文最近发表在《高级材料》杂志上。

从铝石墨双离子电池开始

2007年，唐永冰获得中国科学院金属研究所博士学位。随后，在导师程慧明研究员的推荐下，他前往香港城市大学进行访问研究，并于2013年9月加入深圳高级研究院。“程老师认为，只有开发新型高效、低成本的储能装置及其关键材料，才能真正推动钠、钾等非锂电池的发展。”唐永兵告诉记者，在程慧明的带领下，他开始带领团队研发新型储能装置和材料。

2016年3月，唐永冰的团队在《先进能源材料》杂志上发表了第一篇关于铝石墨双离子电池的研究成果。由于此前报道的双离子电池的正负极均由石墨制成，石墨的振实密度低，作为正负极的比容量不高，导致双碳电池的能量密度低，双离子电池的研究发展缓慢。

作为回应，唐永冰的团队提出了活性材料/集流体一体化的设计理念。他介绍说，与现有的传统石墨阳极相比，铝和其他合金金属阳极具有更高的理论比容量，并在提高能量密度方面具有优势。“此外，铝具有优异的导电性和延展性，而且价格低廉，储量丰富。因此，我们采用集成铝箔作为活性材料和导电集流体，构建了一种新型铝-石墨双离子电池。”

在接下来的研究工作中，为了提高铝阴极在新型电池中的稳定性，唐永兵团队还对铝阴极进行了结构修饰和界面调节，开发了三维多孔铝/碳阴极、中空界面结构铝阴极、碳包覆纳米铝阴极、活性材料/集流体/隔膜集成电极、超快速充放电集成柔性电池等。

“我们将这一新的集成设计概念进一步扩展到钠、钾和钙基双离子电池系统，这些系统不依赖有限的锂资源，为开发新型高效、低成本的储能设备开辟了新的思路。”唐永兵说道。

提高能量密度的联合研究

目前，双离子电池的主要技术难点在于其工作电压高(大于4.2伏)，传统的碳酸盐电解质容易氧化分解，导致电池充电效率降低。

“迫切需要设计和开发一种高压电解质系统，以解决气体产生问题，提高双离子电池的充电效率。”唐永冰说，“主要有两种方法来增加它的能量密度。一是为双离子体系开发高容量阳极和阴极材料。第二是开发高浓度电解质系统，以减少电解质的数量，从而提高能量密度。”

就负极而言，硅具有较高的理论比容量和丰富的储备，是提高双离子电池能量密度的理想负极材料。问题也出现了。唐永冰的团队发现，硅阴极严重的体积膨胀限制了其在双离子电池中的应用。

虽然研究人员提出了纳米改性、多孔结构和复合结构等多种改性方案，但大多数都采用金属材料作为集流体，硅阴极和集流体之间的刚性界面接触导致界面应力集中，导致界面开裂甚至活性材料剥离，使得循环性能难以满足实际应用要求。

作为回应，唐永兵的团队提出了一种灵活的界面设计策略，在柔性聚合物织物表面构建硅阴极，以有效控制界面应力。他说:“为了在柔性聚合物表面实现硅阳极的良好界面结构，需要在两者之间设计具有良好导电性的界面缓冲层。”

郑子健的团队在柔性导电织物领域有着良好的工作基础，因此双方共同应对关键问题。郑子健的团队主要负责柔性导电织物的制备，从而为硅负极提供柔性导电基材。另一方面，唐永兵的团队以柔性导电织物为基底，开展了柔性硅负极的制备、电池组装、原位应力和电化学性能测试等研究工作。

此外，唐永兵的团队在高浓度电解质的研发方面也取得了阶段性突破，开发出了高浓度高压电解质系统，有望进一步提高双离子电池的能量密度和稳定性。

期待着尽快的示范应用

近年来，唐永兵团队在能源材料化学领域开展了一系列研究工作，特别是在新型电池、柔性电池、新型阴极材料等方面。除了以上列出的相关研究成果，该团队还采用了多离子杂交策略，通过引入少量高动态性能的离子来提高钠、钾、钙等电池系统的倍率性能，为提高钠、钾、钙等新电池系统的动态性能提供了新的解决方案。

此外，为了开发高效、低成本、环保的新型阴极材料，唐永兵的团队还率先开发了草酸盐体系和混合聚阴离子体系等新型阴极材料，并对其电化学反应机理进行了研究。

从目前的发展来看，双离子电池未来的应用领域主要是储能领域。唐永兵对双离子电池的未来相当乐观，如家用储能、不间断电源、通信基站、分布式储能系统等领域。但他谨慎地表示:“未来双离子电池的具体应用取决于技术成熟度能否满足相关领域的技术要求。”

目前，唐永兵团队已与深圳大型企业联手，逐步开展双离子电池产业化技术研究，并取得预期进展，已进入中试验证阶段。随着双离子电池技术的不断成熟，他希望通过努力，在未来的三到五年内，产品将逐步从小型储能系统的应用示范扩展到其他储能系统的应用推广。

相关论文信息:https://doi.org/10.1002/adma.201908470