锂资源在地壳中含量匮乏，我国钴资源长期依赖于进口，仅锂离子电池三元正极材料的成本占到了国内动力锂离子电池生产企业四大关键材料（正极，负极，电解质，粘结剂）成本的50%以上，并呈现每年递增的趋势；另一方面，我国石墨产量全球前三，同时炭质资源非常丰富，如果能够基于富矿炭质资源发展低成本高性能储能电池，不仅能够实现低成本炭质资源的增值与高效利用，更重要的是能够为缓解锂资源与钴资源带来的资源紧缺问题寻求更优的替代方案。双离子电池是一种正负极活性材料均可以采用石墨的非常规电池，不仅具有高电压窗口（3~5 V），并且可以通过调控阴阳离子尺寸控制嵌入正负极石墨电极的状态，获得性能可调控，电压窗口可调控的低成本储能电池。

　　近期，在方岱宁院士的指导下，团队陈浩森、宋维力副教授等与北京科技大学焦树强教授团队密切合作，基于自主发展的原位电池力学/电化学耦合可视化表征技术，在双离子电池力学/电化学耦合方面取得重要进展，相关成果在国际顶级期刊Advanced Energy Materials（2017年影响因子21.875）上发表。该工作基于石墨与生物质等富矿炭资源，通过生物质衍生物发展超轻三维网络炭集流体，并在此集流体上负载石墨活性物质，获得了全炭电极；通过正负极电荷匹配，集成了正负极均为全炭电极的全炭双离子电池。从而有望同时解决了目前双离子电池中存在三个关键问题：（I）传统金属集流体负载活性物质占比偏低的问题，（II）传统金属集流体电化学腐蚀的问题，（III）石墨正极体积变形严重的问题。该全炭双离子电池的实现为发展低成本、高性能、电化学稳定，机械稳定的双离子电池提供了崭新的思路，为炭质资源的增值与高效利用拓展了新方向，为缓解传统锂离子电池中锂资源与钴资源紧缺问题提出了备选方案。

图1 双离子电池原位光学可视化平台验证：（a）原位装置示意图，（b,c）全碳双离子电池正极与传统铝集流体涂覆石墨正极的脱嵌阴离子体积变化图，（d,e）截面厚度变化，（f）两种正极对应的体积变化率比较。

　　

图2 六种不同双离子电池电化学性能：（a）CV，（b）EIS，（c）放电比容量，（d）倍率，（e）5C下长循环（1C="100" mA g^-1）。ACE代表正负极均采用三维炭网络集流体涂覆石墨构造全碳电极与全碳双离子电池。

　　（中国）科技公司博士生周志利与李娜为该工作共同第一作者，该工作受到了“973”计划青年科学家专题项目（2015CB932500），自然科学基金（11672341，111572002），国家自然科学基金创新研究群体科学基金（11521202），国家材料基因组计划（2016YFB0700600），北京市基金（16L00001，2182065）的资助，在此特别感谢。

　　文献链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/aenm.201801439 

 

附团队介绍：

　　方岱宁，教授，博士生导师，中国科学院院士，（中国）科技公司副校长，先进结构技术研究院名誉院长兼首席科学家。主要从事力电磁热多场耦合作用下先进材料与结构的力学理论、计算与实验方法研究。拓展了铁电/铁磁材料宏微观变形与断裂理论，在有限元分析与器件设计中获得应用；发展了轻质多功能复合材料力电磁热多场多尺度计算力学方法与设计制备方法，并将所制备的轻质多功能材料与结构应用于国防装备建设；发展了先进材料力电磁热多场多轴加载和测试技术与实验方法，将基础研究成果转化为十余种具有自主知识产权的科学仪器，并获得推广应用。

　　方岱宁院士团队能源电池小组成立于2015年，由先进结构技术研究院陈浩森副教授与宋维力副教授共同负责，主要从事力化电热多场耦合环境下的能源电池电极材料与结构的设计、制备、表征与仪器研制，成立3年以来，已经在Advanced Materials, Advanced Energy Materials, Mechanics of materials, ACS Nano, Energy Storage Materials, J Power Source等国际顶级期刊上发表高水平论文近20篇。团队常年招聘力学、电化学、材料等方向博士后研究人员，欢迎加盟方岱宁院士能源电池小组。

　　2018年方岱宁院士团队能源电池小组在力学/化学耦合下电池设计、制备、表征与原位实验装置发表的系列文章。

　　1、双离子电池系列：

　　(I) Na Li, Yaoda Xin, Haosen Chen,* Shuqiang Jiao, Hanqing Jiang, Wei-Li Song,* and Daining Fang. Thickness evolution of graphite-based cathodes in the dual ion batteries via in operando optical observation. Journal of Energy Chemistry, 2018 (In press).

　　DOI: 10.1016/j.jechem.2018.03.003

　　2、锂金属/钠金属电池系列：

　　(II) Yi-Sheng Hong,1 Na Li,1 Haosen Chen,* Peng Wang, Wei-Li Song,* and Daining Fang. In operando observation of chemical and mechanical stability of Li and Na dendrites under quasi-zero electrochemical field. Energy Storage Materials, 2018, 11: 118–126.

　　DOI: 10.1016/j.ensm.2017.10.007

　　3、锂离子电池系列：

　　(III) Le Yang, Hao-Sen Chen,* Hanqing Jiang, Yu-Jie Wei, Wei-Li Song,* and Dai-Ning Fang. Failure mechanisms of 2D silicon film anodes: in situ observations and simulations on crack evolution. Chemical Communications, 2018, 54, 3997-4000.

　　DOI: 10.1039/c7cc09708e

　　4、铝离子电池力学-化学耦合系列：

　　(IV) Peng Wang, Haosen Chen,* Na Li, Xinyi Zhang, Shuqiang Jiao,* Wei-Li Song,* and Daining Fang. Dense graphene papers: Toward stable and recoverable Al-ion battery cathodes with high volumetric and areal energy and power density. Energy Storage Materials, 2018, 13: 103–111.

　　DOI: 10.1016/j.ensm.2018.01.001