黄维院士/张皝等Mater. Today: 水系电池插层石墨正极的开发进展与问题

水系可充电电池为电化学储能提供了一种安全的替代方案，它结合了成本效益和能量密度以满足固定应用的需求。最近的努力集中在改善水系电解液中的电极材料，特别是电池的循环寿命和能量可靠性。石墨中的阴离子插层化学可以作为替代正极候选物，通常需要高于4.5 V的截止电位上限，然而这样的电位很容易超过水系电解液的电化学稳定性窗口。

在此，西北工业大学黄维院士、张皝副教授及德国乌尔姆亥姆霍兹研究所Stefano Passerini教授等人对石墨中的阴离子插层化学作为水系电池的潜在替代正极进行了批判性评估。

作者详细介绍了水系阴离子在石墨中的插层简史并强调了这项技术在石墨中的两种主要机制的最新进展，即多原子可逆阴离子插层和卤素“转化-插层”及其电化学性能和电池配置。

此外，讨论了与电极和电解液材料及其界面的挑战直接相关的性能指标，包括所有电池组件和操作参数，应以一致的方式报告以跟踪该领域的进展。在实践中，应认真考虑基于电极和电解液总量、库伦效率/能量效率、荷电状态和放电深度指标的比能量密度，这些指标与系统的实际可行性评估和资本成本密切相关。

图1. 可充电电池中石墨电极的示意图和机理

尽管如此，水系双离子电池（ADIBs）的开发仍处于早期阶段，在其大规模应用之前还需要进一步的发展。在考虑ADIB中的电极材料（石墨作为正极）和水系电解液时，使用丰富的可回收材料和低成本的制造工艺可能比当前的非水系锂离子电池系统更具成本竞争力和可持续性。

此外，在石墨正极上构建坚固且稳定的CEI层对于进一步阻止水系电解液分解和防止水共插层可能导致的材料降解具有经济意义，先进的原位表征技术发展对于结构和表面演化及过程机制的基本理解至关重要。

最后，应记录电池运行参数，如截止电压、倍率性能、温度及电极与电解液的质量比，以便在全电池水平上进行全面的性能指标评估。作者相信，石墨中的插层反应具有阴离子物质的高度灵活性和提高电池性能的潜力，可以作为水系电池的有前途正极候选物。

图2. 开发基于石墨的ADIB的要求和注意事项

Advances and issues in developing intercalation graphite cathodes for aqueous batteries, Materials Today 2022. DOI: 10.1016/j.mattod.2022.01.020

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