综述：双离子电池正极材料的进展

《Progress in Natural Science: Materials International》：Advancements in cathode materials for dual-ion batteries

双离子电池（DIBs）通过阴阳离子协同反应实现高电压输出，但阴极材料面临容量低、稳定性差等挑战。本文系统评述了碳基、金属有机框架（MOFs）及有机聚合物等阴极材料的设计策略，包括结构优化、化学改性和溶剂界面调控，并分析了电解液分解等关键问题，提出协同提升能量密度与循环稳定性的解决方案。

　　在当今能源存储技术快速发展的背景下，双离子电池（Dual-Ion Batteries, DIBs）作为一种新型的电化学储能系统，正逐渐受到广泛关注。与传统的单一离子转移机制不同，DIBs通过同时在阳极和阴极进行阳离子和阴离子的电化学反应，实现更高的工作电压和能量输出。这种独特的反应机制不仅提升了电池的整体性能，也为解决当前能源存储系统面临的诸多挑战提供了新的思路。然而，尽管DIBs展现出诸多优势，其实际应用仍受到关键材料——尤其是阴极材料——性能的限制。因此，对阴极材料的研究和优化成为推动DIBs发展的重要方向。

阴极材料在DIBs中的作用尤为关键，因为它们直接影响阴离子的存储能力。在传统电池体系中，阴极材料通常只参与阳离子的嵌入和脱嵌过程，而在DIBs中，阴极需要同时应对阳离子和阴离子的迁移。这一特性使得DIBs在能量密度和电压范围方面具有显著优势，但同时也带来了更大的技术挑战。例如，阴离子的体积较大，其在石墨层中的嵌入和脱嵌过程容易导致结构上的不稳定。此外，阴离子的高脱溶化能壁垒也会影响反应动力学，进而限制电池的充放电速率和循环寿命。再者，反复的阴离子嵌入和脱嵌过程可能会导致阴极材料的不可逆结构退化，从而加速容量衰减。这些问题的存在，使得阴极材料的性能成为DIBs发展过程中亟需突破的核心瓶颈。

为了应对这些挑战，近年来的研究逐渐聚焦于阴极材料的结构设计、化学调控以及电解液界面的优化。结构设计方面，研究人员尝试开发具有分层结构的阴极材料，使其能够在阴离子体积变化的同时保持结构稳定性。例如，石墨、介孔碳微珠（MCMB）和局部有序石墨化碳（LOGC）等碳基材料因其分层结构而被广泛研究，它们能够实现高于4.5伏的高能量密度阴离子嵌入。然而，这些材料在高电压下仍面临溶剂共嵌入和电解液分解的问题，这不仅降低了电池的循环性能，还影响了其长期稳定性。因此，如何在保持高能量密度的同时，提高阴极材料的结构稳定性和循环寿命，成为当前研究的重要目标。

在化学调控方面，研究人员致力于开发能够实现多电子氧化还原反应的新型阴极材料。这种反应机制可以显著提升阴极的电化学性能，从而增强电池的整体容量和能量密度。例如，某些有机聚合物材料通过表面氧化还原反应，能够实现快速的电荷转移，但其工作电压范围相对较低。相比之下，含卤素的阴离子体系则表现出一种混合的嵌入-转化行为，这种行为能够同时提升电池的容量和反应动力学。此外，金属有机框架（MOFs）因其纳米孔道结构，能够有效调控阴离子的迁移路径，从而实现可逆的容量平台。这些材料的设计理念和性能表现，为DIBs的进一步发展提供了重要的理论依据和实践指导。

电解液界面的优化也是提升DIBs性能的关键因素之一。阴离子的脱溶化能壁垒较高，这会显著影响其在阴极材料表面的反应动力学。为了降低这一壁垒，研究人员尝试通过调控阴离子的溶剂化壳层，优化阴极与电解液之间的界面。这种优化不仅能够提升反应速率，还能够增强电池的循环稳定性。此外，针对不同电解液体系（如有机、水性和固态电解液），研究人员还探索了阴极材料的兼容性问题。例如，水性双离子电池（ADIB）因其低成本、高安全性以及环保特性而受到青睐，但其工作电压范围受到水溶剂中氧析出反应（OER）和氢析出反应（HER）的限制，这使得其在能量密度方面不如有机电解液体系的DIBs。因此，如何在不同电解液体系下实现阴极材料的高效阴离子存储，成为DIBs研究的重要课题。

此外，固态双离子电池（Solid-State DIBs）作为一种新型的电池体系，近年来也引起了广泛关注。与传统的液态电解质体系相比，固态或准固态电解质（QSSE）能够有效避免电解液在高电压下的分解问题，从而提升电池的循环性能和安全性。然而，固态电解质的离子导电性通常较低，这会限制电池的充放电速率。因此，研究人员正在探索如何通过优化固态电解质的结构和成分，提高其离子导电性，同时确保阴极材料与电解质之间的良好兼容性。这些研究不仅有助于提升DIBs的性能，还可能为未来的电池技术提供新的发展方向。

在DIBs的研究过程中，阴极材料的性能始终是核心关注点。为了提升阴极材料的阴离子存储能力，研究人员提出了多种优化策略。例如，通过引入新的材料体系，如有机聚合物、金属有机框架和含卤素的阴离子体系，研究人员能够有效拓展阴极材料的工作电压范围，同时提升其容量和反应动力学。此外，针对不同电解液体系，研究人员还探索了阴极材料的结构设计和表面改性方法，以优化其与电解液的相容性。这些策略的提出，不仅有助于解决DIBs在实际应用中面临的诸多问题，还为未来的研究提供了新的方向。

值得注意的是，DIBs的研究历程不仅体现了技术的进步，也反映了科学界对能源存储问题的持续探索。从1938年Rüdorff和Hofmann首次提出阴离子嵌入石墨电极的概念，到1989年McCullough等人提出双石墨电池（DGB）作为现代原型，再到近年来的多项突破，如2014年Placke等人利用离子液体电解质实现阳离子和阴离子的同时嵌入，以及2019年Wang等人提出的双卤素阴离子机制，DIBs的发展经历了多个关键阶段。这些进展不仅推动了DIBs的理论研究，还为其实现商业化应用奠定了基础。

在实际应用中，DIBs展现出广阔的发展前景。例如，2021年提出的协同双阴离子策略（PF??和FSI?）显著提升了阴极材料的性能，而2022年Wu等人提出的全气候DIBs则进一步拓展了其应用范围。这些成果表明，DIBs在提高能量密度、延长循环寿命以及增强安全性方面具有显著优势。然而，要实现这些优势的全面应用，仍需进一步优化阴极材料的性能，特别是在高电压条件下的结构稳定性和反应动力学。因此，未来的研究应更加注重阴极材料的理性设计，以确保其在各种应用场景下的高效阴离子存储能力。

综上所述，DIBs作为一种新型的电化学储能系统，具有较高的能量密度和工作电压，为解决当前能源存储问题提供了新的思路。然而，阴极材料的性能仍然是其发展过程中的关键瓶颈。为了提升DIBs的性能，研究人员正在探索多种优化策略，包括结构设计、化学调控以及电解液界面的优化。这些策略的提出和实施，不仅有助于解决DIBs在实际应用中面临的诸多问题，还为未来的电池技术发展提供了重要的理论依据和实践指导。随着研究的不断深入，DIBs有望成为下一代高性能储能系统的重要组成部分，为实现可持续能源利用提供强有力的支持。