周小龙，欧学武，刘齐荣，唐永炳

（中国科学院深圳先进技术研究院，功能薄膜材料研究中心，广东 深圳 518055）

1 概 述

1.1 传统电池研究现状

随着能源和环境问题的日益严峻，开发和应用新型高效无污染的能源及储能器件已成为刻不容缓的全球性课题[1-2]。传统锂离子电池（LIBs）由于具有循环寿命长、无记忆效应等特点，现已广泛应用于便携式电子设备、电动工具等领域[3-5]。目前，世界各国已相继提出了大力发展新能源的战略目标，如《中国制造2025》、美国《Battery 500》等。随着锂电池的快速发展，基于锂的电极材料的需求量也急剧增加。据估计，到2050年，锂的总消耗量将达到目前已探明总储量的1/3以上[6]。

从1991年第一款商用LIBs推出以来，为了提高能量密度和安全性，研究人员通过各种手段对LIBs进行了优化和改善[7-8]，从最初的钴酸锂（LiCoO2：LCO），到磷酸铁锂（LiFePO4：LFP），再到三元（LiNi1-2xCoxMnxO2：NCM）等正极材料。然而，目前LIBs的电极材料几乎达到理论能量极限[3,9-11]。随着新能源的发展，正极材料所使用的过渡金属（例如钴、镍等）价格快速增长。例如，仅2017年，钴的价格就上涨了145%[12]；而丰度相对较少的镍等元素也面临资源枯竭的危险[13]。因此，开发高效低成本的新型储能电池成为下一代储能技术的主要研究方向。其中，不含钴、镍等过渡金属的正极材料已成为研究的热点[3]。同时，由于钠和钾元素在地壳中储量丰富[13-14]，且与锂具有相似的电化学性质，因此，基于钠离子[13,15-17]、钾离子[18-19]等电池的开发与利用也成为了当前研究的重要方向。此外，其他新型电池，如：锂-硫[20-22]、碱金属-空气[23-24]、锌-空气[25-26]和双离子电池（DIBs）[11,27-30]等也受到了广泛关注。……