武汉理工罗雯/傅凯团队EES：首创“异步反向双离子电池”

第一作者：罗雯

通讯作者：罗雯*，傅凯*

单位：武汉理工大学，法国洛林大学

随着对高比能储能需求的不断攀升，电池研究正受制于能量密度、成本与可持续性的“耦合约束”。主流的阳离子摇椅式电池（如锂/钠离子电池）受限于资源和安全问题；而新兴的双离子电池（DIBs/RDIBs）虽然引入了阴离子存储机制，但通常依赖高成本的高浓度电解液来维持稳定，且负极容量往往不尽人意。这一僵局迫使研究人员从“构型设计”层面进行创新，通过重构电极离子的存储过程，拓展电化学储能的设计边界，为下一代高性能电池寻找突破口。

近日，武汉理工大学罗雯教授、傅凯副研究员合作，在国际知名期刊Energy & Environmental Science上发表题为“A high-energy asynchronously reverse dual-ion battery based on H⁻/Na⁺ insertion chemistry”的研究论文。该工作提出了一种异步反向双离子电池（ARDIB），其运行机制与传统的摇椅式或同步双离子电池截然不同。该电池通过耦合阳离子嵌入型的MnO₂正极（放电时存储Na⁺）和转化-嵌入型的Pd覆盖的Mg–Y合金负极（充电时存储H⁻），实现了阴离子和阳离子的异步双向存储。该体系采用含有氯化钠（NaCl）和四甲基氢氧化铵（TMAOH)的低成本水系电解液，TMAOH不仅诱导了厚MnO₂正极的原位微观结构重构以提升Na⁺存储能力，还支持了Mg–Y负极可逆的合金-氢化物转化。作为平面微型电池，ARDIB展现出卓越的电化学性能，为下一代储能提供了基于构型创新的解决方案。

不同于传统的阳离子/阴离子摇椅式电池（RCB）或同步双离子电池（DIB/RDIB），本文提出的ARDIB采用异步双向离子存储机制。在充电过程中，Mg-Y合金负极通过转化-嵌入反应存储H⁻阴离子（形成金属氢化物），而正极释放Na⁺；放电过程则相反，负极释放H⁻，正极嵌入Na⁺。这种机制通Pd催化层促进水分子的解离和H物种的嵌入，成功将高容量的H⁻存储负极与Na⁺存储正极在水系电解液中耦合，实现了离子的异步存储。

为了匹配Mg-Y负极和MnO₂正极的电位并保证稳定性，研究团队设计了含有四甲基氢氧化铵（TMAOH）的NaCl水系碱性电解液。研究发现，TMAOH的添加不仅提供了合适的电化学稳定窗口，更关键的是触发了微米级球状MnO₂正极在循环过程中发生原位重构。大尺寸TMA⁺离子的嵌入起到了支柱作用，扩大了层间距，促使厚 MnO₂电极转变为锚定在石墨烯网络上的超薄纳米片结构，显著提升了厚电极的反应动力学和结构稳定性。

通过飞行时间二次离子质谱（TOF-SIMS）和非原位XRD深入解析了电极的储能机理。这些结果证明了ARDIB独特的“负极充电态储氢阴离子、正极放电态储钠阳离子”的运行机制，验证了该电池独特的异步逆向双离子存储工作机理。

应用该ARDIB创新机制构筑的微型电池在1 mA cm⁻²下实现0.42 mWh cm⁻²能量密度，在10 mA cm⁻²下可稳定循环5700次。其功率密度最高可达30.8 mW cm⁻²，优于大多数已报道的微型电池。此外，该电池具有良好的集成性和可扩展性，通过串联集成可驱动GPS定位芯片，按太极图案放大的电池组可与光伏系统集成，在夜间持续为LED灯带供电，展示了其在微型电子设备和规模化储能中的广阔应用前景。

A high-energy asynchronously reverse dual-ion battery based on H⁻/Na⁺ insertion chemistry

罗雯，武汉理工大学物理系教授，博士生导师，入选中国科协青年人才托举工程，武汉理工大学15551青年拔尖人才。主要从事电化学能源材料与器件研究，包括二次电池电极材料、微纳器件组装和原位表征等。主持国家自然科学基金重大研究计划培育项目、面上项目等科研项目。以第一作者或通讯作者在Chem、Matter、Nature Communications和Advanced Materials等国际期刊发表SCI论文50余篇。