Li-Ion battery short circuit,overcharge,undervoltage EXPERIMENT
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來源： 新能源Leader
鋰離子電池比能量高，循環性能好，在消費電子領域取得了巨大的成功，但是鋰離子電池也是高成本的代名詞，特別是在電動汽車這種對鋰離子電池有著巨大需求的領域，對鋰離子電池的成本將更加敏感。
但是受限於原材料價格高企，特別是碳酸鋰、Co和Ni等原材料在近期都有較大幅度的價格上漲，鋰離子電池目前的成本降低的空間有限。
為了降低單位Wh的成本，人們開發了多種高能量密度的蓄電池，例如Li-O2電池，理論比能量可達3600Wh/kg（2Li++O2+2e-=Li2O2，2.96VvsLi/Li+），遠高於鋰離子電池，並且具有環境友好等特點。
為了進一步降低成本，人們還以Na，Zn等替代金屬Li，開發Na-O2和Zn-O2電池，目前這些技術，還都處在基礎技術研發階段，目前主要研究主要集中在金屬-電解液介面研究，和放電產物研究等方面，其中Li-O2電池開發難度較小，研究比較充分，有希望能在短期內進行應用。
此外Li-S電池也是研究的熱點，S的理論比容可達1672mAh/g，理論比能量達到2600Wh/kg，雖然遜色於Li-O2電池，但也要遠遠高於鋰離子電池。
目前Li-S電池存在的主要問題是，S的導電性差，接近絕緣體，體積膨脹大（80%），S正極的嵌鋰產物會溶解在電解液里，在正負極之間穿梭，導致容量快速衰降，循環和儲存性能差。
目前Li-S電池存在的主要問題是，S的導電性差，接近絕緣體，體積膨脹大（80%），S正極的嵌鋰產物會溶解在電解液里，在正負極之間穿梭，導致容量快速衰降，循環和儲存性能差。
目前鋰離子電池上，常用的酯類電解液。由於存在較多的副反應而無法在Li-S電池上應用，所以Li-S電池一般採用醚類電解液，導致電池的高溫性能很差。
為了克服上述問題，研究者紛紛採用S奈米化、表面包覆改性，和全新的固態電解質等方法克服，目前Li-S電池的研究已經取得了許多重要的進展，因此Li-S電池也是最有希望在短期內，取代鋰離子電池的高比能儲能體系。
儲能領域從來都不缺乏攪局者，最近幾年新興的雙離子電池就是其中之一。
與鋰離子電池的正負極之間，只有Li+在參加反應不同，雙離子電池的充電的過程中，陰離子在電場的作用下，向陽極遷移，嵌入到陽極結構之中，陽離子向陰極遷移，嵌入到陰極之中，放電的過程則與之相反，陽極和陰極中的離子脫出，回到電解液中，恢復電解液的濃度。
與鋰離子電池的正負極之間，只有Li+在參加反應不同，雙離子電池的充電的過程中，陰離子在電場的作用下，向陽極遷移，嵌入到陽極結構之中，陽離子向陰極遷移，嵌入到陰極之中，放電的過程則與之相反，陽極和陰極中的離子脫出，回到電解液中，恢復電解液的濃度。
目前雙離子電池，使用的正極材料主要是石墨材料，其實陰離子能夠嵌入到石墨結構中，早在1938就由Rudorff和Hofmann發現，但是由於陰離子的嵌入電勢較高，因此早期的雙離子電池的電解液，使用高濃度的酸溶液作為電解液，這會帶來很大的安全隱憂。
直到90年代，隨著鋰離子電池的商業化應用，人們發現如果將鋰離子電池的正極，替換為能夠嵌入陰離子的石墨類材料，可以獲得較高電壓的雙離子電池。
隨後的幾十年，人們開始對雙離子電池展開了深入的研究，特別是對陰離子嵌入到石墨結構中的機理，進行了深入的研究。
隨後的幾十年，人們開始對雙離子電池展開了深入的研究，特別是對陰離子嵌入到石墨結構中的機理，進行了深入的研究。
下圖是一些常見的應用在雙離子電池的電解液，和它們在不同的石墨材料中的嵌入電勢「2」，從這張表上我們可以注意到，常見的PF6+酯類電解液，在雙離子電池中，PF6嵌入到石墨結構中的電勢都達到5V以上，這也導致了一個嚴峻的問題——高電壓導致的電解液不穩定，從而使得電池在循環中庫倫效率持續下降，循環性能較差。
近年來隨著離子液體技術的不斷發展，離子液體的高熱穩定性，低粘度和寬電化學窗口，讓我們看到了雙離子電池的希望。
雖然目前學界針對雙離子電池的報導很多，但是目前我們對陰離子嵌入到石墨中的結構還瞭解較少，KoljaBeltrop的研究顯示陰離子的直徑，對其嵌入行為有著顯著的影響，陰離子直徑越大嵌入到石墨中就越困難（還要考慮到陰離子與電解液溶劑的共同作用）。
日本科學家TatsumiIshihara，針對PF6嵌入到石墨中的行為研究發現，隨著PF6的嵌入，石墨片層之間的距離逐漸擴大，最大可達到0.4nm（石墨片之間的層間距初始為0.336nm），同時還在較高的電勢下，發現石墨結構中出現了奈米氣泡的結構，這些奈米氣泡結構，也使得石墨負極的容量大幅提高，達到147mAh/g，這已經與LiCoO2的比容量相近了「3」。
來自中國科學院深圳先進技術研究院，和中國科技大學的Panpan Qin等人，共同開發了一款Al基負極的雙離子電池，PanpanQin在Al箔上制備了一層碳包覆中空Al納米球，不僅很好的抑制了嵌鋰過程中，產生的應力，還降低了電流密度，從而使得該電池具有極佳的循環性能，在2C下循環1500次，容量保持率可達99%，在1780W/kg的功率密度下，該電池的能量密度達到了142Wh/kg，這一數據要高於大多數的商業鋰離子電池的數據。
上一個三十年，是屬於鋰離子電池的時代，下一個三十年會是屬於那種電池呢？Li-S電池、Li-O2電池和雙離子電池，究竟誰會成為鋰離子電池的掘墓人呢？
我們來分析一下雙離子電池的優勢，首先是成本，雙離子電池正負極採用的都是石墨材料，光是這一點就要比採用NCA，NCM和LCO正極材料的鋰離子電池，成本低很多。
我們來分析一下雙離子電池的優勢，首先是成本，雙離子電池正負極採用的都是石墨材料，光是這一點就要比採用NCA，NCM和LCO正極材料的鋰離子電池，成本低很多。
其次是環保屬性，雙離子電池幾乎不含有重金屬成分，正負極的石墨材料也很好處理，不會對環境產生嚴重的重金屬污染。最重要的是工藝優勢，目前的鋰離子電池生產設備和製程，完全可以用於雙離子電池的生產，可以說雙離子電池的技術一旦成熟，並開始推廣，現有的鋰離子電池生產廠家，可以在不更換設備的前提下，段時間內實現快速轉型。
Li-S電池、Li-O2電池和雙離子電池究竟誰能夠取代鋰離子電池，贏得下一個三十年，您怎麼看呢？
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