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黃維院士/張皝等Mater. Today: 水系電池插層石墨正極的開發進展與問題

水系可充電電池為電化學儲能提供了一種安全的替代方案，它結合了成本效益和能量密度以滿足固定應用的需求。最近的努力集中在改善水系電解液中的電極材料，特別是電池的循環壽命和能量可靠性。石墨中的陰離子插層化學可以作為替代正極候選物，通常需要高于4.5 V的截止電位上限，然而這樣的電位很容易超過水系電解液的電化學穩定性窗口。

在此，西北工業大學黃維院士、張皝副教授及德國烏爾姆亥姆霍茲研究所Stefano Passerini教授等人對石墨中的陰離子插層化學作為水系電池的潛在替代正極進行了批判性評估。

作者詳細介紹了水系陰離子在石墨中的插層簡史并強調了這項技術在石墨中的兩種主要機制的最新進展，即多原子可逆陰離子插層和鹵素“轉化-插層”及其電化學性能和電池配置。

此外，討論了與電極和電解液材料及其界面的挑戰直接相關的性能指標，包括所有電池組件和操作參數，應以一致的方式報告以跟蹤該領域的進展。在實踐中，應認真考慮基于電極和電解液總量、庫倫效率/能量效率、荷電狀態和放電深度指標的比能量密度，這些指標與系統的實際可行性評估和資本成本密切相關。

圖1. 可充電電池中石墨電極的示意圖和機理

盡管如此，水系雙離子電池（ADIBs）的開發仍處于早期階段，在其大規模應用之前還需要進一步的發展。在考慮ADIB中的電極材料（石墨作為正極）和水系電解液時，使用豐富的可回收材料和低成本的制造工藝可能比當前的非水系鋰離子電池系統更具成本競爭力和可持續性。

此外，在石墨正極上構建堅固且穩定的CEI層對于進一步阻止水系電解液分解和防止水共插層可能導致的材料降解具有經濟意義，先進的原位表征技術發展對于結構和表面演化及過程機制的基本理解至關重要。

最后，應記錄電池運行參數，如截止電壓、倍率性能、溫度及電極與電解液的質量比，以便在全電池水平上進行全面的性能指標評估。作者相信，石墨中的插層反應具有陰離子物質的高度靈活性和提高電池性能的潛力，可以作為水系電池的有前途正極候選物。

圖2. 開發基于石墨的ADIB的要求和注意事項

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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