以阴离子为电荷载体的可充电阴离子穿梭电池（ASBs）因其成本低、循环寿命长、能量密度高等优点而脱颖而出，成为锂离子电池的理想替代储能技术。

近日，澳大利亚悉尼科技大学汪国秀教授，Dong Zhou，美国俄勒冈州立大学纪秀磊教授，清华大学深圳国际研究生院李宝华教授首次全面概述了不同类型ASB的作用机理和化学特性。

文章要点

1）根据阴离子穿梭机制，ASB可进一步分为三种类型：阴离子摇椅电池（ARBs）、双离子电池（DIBs）和逆双离子电池（RDIBs）。ARBs，例如氟离子电池和氯离子电池，依赖于电化学稳定的阴离子作为电荷载体。与ARBs不同的是，DIBs既依赖于阴离子，也依赖于作为电荷载体的阳离子。更具体地说，DIBs包括三种类型：插入型、转换型和转换插入型。与DIBs类似，RDIBs也同时使用阴离子和阳离子作为电荷载体。然而，在RDIBs中，阳离子在放电过程中被插入负极，阴离子在放电过程中被插入正极，而它们在充电过程中被同时释放到电解质中。

2）与传统的可充电金属离子电池（如锂离子电池）相比，ARB具有许多优点，如理论体积能量密度高、成本低。然而，由于可获得合适的电极材料和电解液比较有限，ARB的实际应用受到严重限制。因此，需要进一步优化电极结构和电解液组成。作者总结了不同电解液体系（即水溶液和非水电解液）的ARB（如氟离子电池和氯离子电池）的阴离子储存机理，并综合总结了这些ARBs的最新进展。

3）DIBs的工作基于阳离子和阴离子的电化学反应。目前，插入型DIBs是研究最多的DIBs。DIBs具有包括低成本、高输出电压和环境友好性等巨大优势。然而，大半径阴离子的插层或脱层会引发电解质分解和正极材料的结构恶化。因此，为了稳定的电化学性能，开发合适的阴离子主体和合适的电解质对DIBs至关重要。作者详细总结了阴离子在插入型DIB正极中的插层或脱层机理，并系统地总结了基于不同阴离子基质材料（如石墨）和各种电解质体系（如水溶液和非水电解质）的插入型DIBs的最新研究进展。

4）RDIBs与DIBs有着相似的工作原理，而它们的电极承载的离子类型则完全相反。此外，在充电过程中，离子在DIBs中从电解质移动到电极；但在RDIBs中，它们从电极释放到电解质中。迄今为止，RDIBs化学只能在水溶液中实现。RDIBs的电池结构将推动未来低成本的，无阳离子和无金属负极的电极材料，以实现低成本的能量存储。

5）作者最后指出，尽管近年来在改善ASBs的性能方面人们已取得了某些进展，但仍需要在以下方向中进行大量研究：1）具有理论能量高，成本低的ARB；2）对于DIB，尽管高工作电压范围有益于电池能量密度的提高。然而，如此高的输出电压也引起严重的电解质分解和安全隐患（即，热失控）。因此，有必要开发具有阻燃性和高界面相容性的高压电解质用于DIB；3）目前的RDIB化学仅在水系电解质中实现，并且仅报道了几种电极材料；4）进一步阐明ASB的电化学反应的微观机理；5）开发大面积的软包电池以更好地评估ASB的实际应用潜力。

参考文献

Liu et al., Rechargeable anion-shuttle batteries for low-cost energy storage, Chem (2021)

DOI：10.1016/j.chempr.2021.02.004

https://doi.org/10.1016/j.chempr.2021.02.004