氯离子CTM蓄电池：一种新兴的下一代储能电化学体系
发布时间：2026-07-04 14:54:34 点击： 次
在开发新型电化学概念以构建高能量密度电池的研讨范畴内能量密度氯离子电池（CIBs）作为新一代电化学储能技能的候选计划锋芒毕露，其在能量密度、无枝晶安全性以及脱节对稀缺锂钴资源依赖方面，展现出比肩乃至逾越现有锂金属电池的潜力。然而，CIBs的开展仍处于初级阶段，功能体现不尽善尽美，诸多应战阻碍了其商业化进程。本综述经过从电极资料规划到电解质的系统性调查，梳理了CIBs的研讨发展，特别针对水系氯离子电池与海水淡化结合的立异途径，勾勒出该范畴的新机遇。电池等。关于锂离子电池和氟离子电池的开展途径，本文开始探讨了选用固态氯离子导体代替液态电解质的可能性。更进一步，经过重点分析主要妨碍并提出具体研讨方向，总结出远景展望与明确主张，以激励更多研讨力气投入氯离子电池在大规模储能使用中的探究。
锂离子电池（LIBs）的成功商业化堪称电化学范畴最振奋人心的成果之一，该技能荣膺2019年诺贝尔化学奖[1]。%%曩昔二十年间，锂离子电池范畴取得的技能进步对社会产生了巨大而深远的影响[2][3][4]。LIBs的广泛使用不仅为便携式电子设备的遍及奠定了基础，更在可再生能源转化的前提下，使无化石燃料社会成为可能[5][6]。%%然而商用锂离子电池在能量密度（~200 Wh kg⁻¹）和功率密度方面已挨近理论极限，同时其安全性问题与原资料本钱压力也日益凸显[7]。这促进研讨者们不得不寻求具有更高能量密度的新型电池系统，其间锂硫电池（Li-S）因其高达2600 Wh kg⁻¹的理论能量密度而成为最具潜力的候选者[8]。) 不仅在循环寿命（1000次循环，>80%）和倍率功能（1 C）方面体现突出[7]。锂资源分布不均与价格飞涨也使得大规模锂离子电池使用的施行既困难又昂贵。此外，与锂枝晶相关的安全问题（尤其在高速率条件下）成为开发高功能高能量密度锂离子电池的另一妨碍[8][9]。−1与针对钠离子电池[10][11][12]、硫电池[13][14]、锌离子电池(ZIBs)[15][16]、镁离子电池[17]等代替性阳离子电池的疯狂探究不同，阴离子电池及阴阳离子双离子电池正成为另一研讨热门——经过挑选合适的电化学对，这类电池有望完成高能量密度规划。例如Meng等人[18]提出了一种经过嵌反响完成阴阳离子共存储的可循环双离子电池，其间LiFePO石墨能够贮存锂离子4和PF+离子。此外，根据氯离子(Cl6−)络绎机制的氯化物离子电池(CIBs)因其资源丰富、能量密度高以及在大规模储能使用中的巨大潜力而备受重视[19][20]。理论猜测显现，AlCl−与镁电池系统可完成475 mA h g⁻¹的比能量密度。3[20]. 此外，鉴于根据氯氧化复原反响的基础特性，锂-亚硫酰氯（Li-SOCl2）电池系统在3.65 V电压渠道处体现出明显的开路电位，这一特性源于SOCl2电解液在碳正极外表的电化学复原进程。其放电机制主要触及四氯铝酸锂（LiAlCl4）的生成反响：4Li + 2SOCl2 → 4LiCl + S + SO2。值得注意的是，该系统的理论能量密度高达500 Wh/kg，但其实践使用受到硫堆积导致的电极钝化现象约束。−1)电池可完成约2300毫安时/克的高比容量2以及高达710瓦时/千克的能量密度−1[21], [22]。Dai等人还报导了Na/Cl−1基电池具有优异的循环功能，在约1200毫安时/克的可逆容量下可完成库仑功率大于99%2且输出电压超过3.5伏[23]。Wang等人也报导了一种根据氯氧化复原反响的高电压水系电池(∼4.3伏)−1to Cl−，其可完成460 Wh kg-1的能量密度0（根据复合电极总质量）及挨近100%的库仑功率[24]。此外，由于阴离子特性，CIBs可避免阳离子电池中严峻的枝晶问题[25]。与阳离子电池（如锂/钠离子电池、锌离子电池等）的开展比较，如图1(a)所示，卤素离子电池尤其是CIBs的研讨仍处于萌芽阶段。−1 of total composite electrode and about hundred percent Coulombic efficiency [24]. Moreover, another advantage is that the serious dendrites issues in cation ion batteries can be avoided in CIBs due to the anion ion properties [25]. Compared with the development of cation ion batteries (such as lithium/sodium ion batteries, zinc ion batteries, etc.), the research on the halogen ion batteries is still in an embryonic stage, in particular for CIBs as shown in Fig. 1(a).
从氯离子电池(CIBs)技能开展历程(图1b)来看，咱们可将其主要划分为三个里程碑式类别：(1)有机系统氯离子电池，(2)固态氯离子电池，(3)水系氯离子电池。Newman等[26]初次报导了4.4×10−4S cm的高离子电导率−1在室温条件下，卤化二苯并冠醚配合物体现出极低电子传导性，这一发现为氯离子电池（CIBs）研讨开辟了新途径。Fichtner等人[27]首要论证了室温环境下选用金属氯化物阴极的可充电CIBs作业原理。他们经过试验证实，弱路易斯酸BiCl3作为阴极活性资料时，氯离子可逆插层反响得以完成。3在离子液体电解质中体现出优异的稳定性，且在循环进程中体积改变较小。当时钙离子电池（CIBs）的研讨发展表明，其比容量与钠离子电池（SIBs）适当，电压渠道（~2-2.5V）则与锂硫/钠硫电池附近（图1c）[20][28]。针对易燃有机电解质的安全性问题，Gschwind等[29]与Zhao等[30]借鉴全固态锂电池的开展途径，展开了全固态氯离子电池的研发作业。解决安全性问题的另一代替计划是开发以海水资源丰富的氯化钠溶液为代表的安全型水系氯离子电解质。如图1(d)所示，当时研讨中水系氯离子电池（CIBs）与水系锂离子电池（LIBs）及锌离子电池（ZIBs）比较虽在电压和容量方面体现适中[14][19][22-25][31-34]，但其无枝晶特性及近期经过氯氧化复原反响完成的高能量密度特征展现出明显优势，具有重要研讨价值。值得注意的是，大多数CIBs中的电极资料在液态电解质中不稳定或易溶解，这将导致容量快速衰减和电池失效。虽然当时研讨人员已取得必定发展，但在追逐阳离子电池开展水平方面仍存在巨大距离。鉴于Cl-独特的本征应战和差异化的电化学行为，为促进CIBs的开展，有必要建立清晰可视化的研讨视角。−compared to Li+/Na+.
在这篇微型综述中，咱们总结了氯离子电池（CIBs）的当时发展与应战，旨在为不限于CIBs的阴离子电池研讨指明方向。文章首要简要介绍CIBs的作业原理，继而综述电极与电解质开发的最新发展，并探讨面对的主要应战。需求指出的是，根据现有研讨，CIBs的作业原理主要根据转化反响。开发具有优异氯离子存储功能的电极资料，是构建高功能可充电电池面对的主要应战之一。随后，本文具体探讨了水系氯离子电池（CIBs）和根据氧化复原反响的CIBs，以突显CIBs在大规模储能使用中的巨大潜力。经过与其他卤素离子电池（如氟离子电池）的对比，本文评论了CIBs在电极与电解质方面的未来开展远景，旨在为其实践使用铺平道路。能够确信的是，作为锂离子电池（LIBs）的廉价代替性可充电电化学储能系统，CIBs将具有宽广的开展远景。但需求着重的是，要完成实践需求与工程化使用仍存在诸多应战。
图文摘要
氯离子 电池在完成能量密度无枝晶的安全功能方面具有宽广远景。需求着重的是，间隔实践商业化使用仍有很长的路要走。锂离子电池（LIBs）的成功商业化堪称电化学范畴最振奋人心的成果之一，该技能荣膺2019年诺贝尔化学奖[1]。%%曩昔二十年间，锂离子电池范畴取得的技能进步对社会产生了巨大而深远的影响[2][3][4]。LIBs的广泛使用不仅为便携式电子设备的遍及奠定了基础，更在可再生能源转化的前提下，使无化石燃料社会成为可能[5][6]。%%然而商用锂离子电池在能量密度（~200 Wh kg⁻¹）和功率密度方面已挨近理论极限，同时其安全性问题与原资料本钱压力也日益凸显[7]。这促进研讨者们不得不寻求具有更高能量密度的新型电池系统，其间锂硫电池（Li-S）因其高达2600 Wh kg⁻¹的理论能量密度而成为最具潜力的候选者[8]。) 不仅在循环寿命（1000次循环，>80%）和倍率功能（1 C）方面体现突出[7]。锂资源分布不均与价格飞涨也使得大规模锂离子电池使用的施行既困难又昂贵。此外，与锂枝晶相关的安全问题（尤其在高速率条件下）成为开发高功能高能量密度锂离子电池的另一妨碍[8][9]。−1与针对钠离子电池[10][11][12]、硫电池[13][14]、锌离子电池(ZIBs)[15][16]、镁离子电池[17]等代替性阳离子电池的疯狂探究不同，阴离子电池及阴阳离子双离子电池正成为另一研讨热门——经过挑选合适的电化学对，这类电池有望完成高能量密度规划。例如Meng等人[18]提出了一种经过嵌反响完成阴阳离子共存储的可循环双离子电池，其间LiFePO石墨能够贮存锂离子4和PF+离子。此外，根据氯离子(Cl6−)络绎机制的氯化物离子电池(CIBs)因其资源丰富、能量密度高以及在大规模储能使用中的巨大潜力而备受重视[19][20]。理论猜测显现，AlCl−与镁电池系统可完成475 mA h g⁻¹的比能量密度。3[20]. 此外，鉴于根据氯氧化复原反响的基础特性，锂-亚硫酰氯（Li-SOCl2）电池系统在3.65 V电压渠道处体现出明显的开路电位，这一特性源于SOCl2电解液在碳正极外表的电化学复原进程。其放电机制主要触及四氯铝酸锂（LiAlCl4）的生成反响：4Li + 2SOCl2 → 4LiCl + S + SO2。值得注意的是，该系统的理论能量密度高达500 Wh/kg，但其实践使用受到硫堆积导致的电极钝化现象约束。−1)电池可完成约2300毫安时/克的高比容量2以及高达710瓦时/千克的能量密度−1[21], [22]。Dai等人还报导了Na/Cl−1基电池具有优异的循环功能，在约1200毫安时/克的可逆容量下可完成库仑功率大于99%2且输出电压超过3.5伏[23]。Wang等人也报导了一种根据氯氧化复原反响的高电压水系电池(∼4.3伏)−1to Cl−，其可完成460 Wh kg-1的能量密度0（根据复合电极总质量）及挨近100%的库仑功率[24]。此外，由于阴离子特性，CIBs可避免阳离子电池中严峻的枝晶问题[25]。与阳离子电池（如锂/钠离子电池、锌离子电池等）的开展比较，如图1(a)所示，卤素离子电池尤其是CIBs的研讨仍处于萌芽阶段。−1 of total composite electrode and about hundred percent Coulombic efficiency [24]. Moreover, another advantage is that the serious dendrites issues in cation ion batteries can be avoided in CIBs due to the anion ion properties [25]. Compared with the development of cation ion batteries (such as lithium/sodium ion batteries, zinc ion batteries, etc.), the research on the halogen ion batteries is still in an embryonic stage, in particular for CIBs as shown in Fig. 1(a).
从氯离子电池(CIBs)技能开展历程(图1b)来看，咱们可将其主要划分为三个里程碑式类别：(1)有机系统氯离子电池，(2)固态氯离子电池，(3)水系氯离子电池。Newman等[26]初次报导了4.4×10−4S cm的高离子电导率−1在室温条件下，卤化二苯并冠醚配合物体现出极低电子传导性，这一发现为氯离子电池（CIBs）研讨开辟了新途径。Fichtner等人[27]首要论证了室温环境下选用金属氯化物阴极的可充电CIBs作业原理。他们经过试验证实，弱路易斯酸BiCl3作为阴极活性资料时，氯离子可逆插层反响得以完成。3在离子液体电解质中体现出优异的稳定性，且在循环进程中体积改变较小。当时钙离子电池（CIBs）的研讨发展表明，其比容量与钠离子电池（SIBs）适当，电压渠道（~2-2.5V）则与锂硫/钠硫电池附近（图1c）[20][28]。针对易燃有机电解质的安全性问题，Gschwind等[29]与Zhao等[30]借鉴全固态锂电池的开展途径，展开了全固态氯离子电池的研发作业。解决安全性问题的另一代替计划是开发以海水资源丰富的氯化钠溶液为代表的安全型水系氯离子电解质。如图1(d)所示，当时研讨中水系氯离子电池（CIBs）与水系锂离子电池（LIBs）及锌离子电池（ZIBs）比较虽在电压和容量方面体现适中[14][19][22-25][31-34]，但其无枝晶特性及近期经过氯氧化复原反响完成的高能量密度特征展现出明显优势，具有重要研讨价值。值得注意的是，大多数CIBs中的电极资料在液态电解质中不稳定或易溶解，这将导致容量快速衰减和电池失效。虽然当时研讨人员已取得必定发展，但在追逐阳离子电池开展水平方面仍存在巨大距离。鉴于Cl-独特的本征应战和差异化的电化学行为，为促进CIBs的开展，有必要建立清晰可视化的研讨视角。−compared to Li+/Na+.
在这篇微型综述中，咱们总结了氯离子电池（CIBs）的当时发展与应战，旨在为不限于CIBs的阴离子电池研讨指明方向。文章首要简要介绍CIBs的作业原理，继而综述电极与电解质开发的最新发展，并探讨面对的主要应战。需求指出的是，根据现有研讨，CIBs的作业原理主要根据转化反响。开发具有优异氯离子存储功能的电极资料，是构建高功能可充电电池面对的主要应战之一。随后，本文具体探讨了水系氯离子电池（CIBs）和根据氧化复原反响的CIBs，以突显CIBs在大规模储能使用中的巨大潜力。经过与其他卤素离子电池（如氟离子电池）的对比，本文评论了CIBs在电极与电解质方面的未来开展远景，旨在为其实践使用铺平道路。能够确信的是，作为锂离子电池（LIBs）的廉价代替性可充电电化学储能系统，CIBs将具有宽广的开展远景。但需求着重的是，要完成实践需求与工程化使用仍存在诸多应战。