Designing High-Performance Dual-Ion Batteries at High-Voltage: Challenges, Strategies, and Prospects

Chong Han, Yan-Song Xu*, Ziyang Hu, An-Min Cao*, GuanHua Chen*

Nano-Micro Letters (2026)18:339

https://doi.org/10.1007/s40820-026-02114-x

本文亮点

1. 系统梳理高电压双离子电池(DIBs)中的阴离子嵌入机制、容量贡献、阴离子溶剂化微环境与电压窗口，明确其区别于传统“摇椅式”锂离子电池的工作逻辑。

2. 聚焦DIBs由高电压和阴离子嵌入机制带来的关键挑战，包括电解液氧化分解、溶剂共嵌、界面不稳定、正负极动力学失配、容量和能量密度受限、低温性能衰减以及安全问题。

3. 从高稳定电解液、阴离子溶剂化调控、CEI/SEI界面构筑、高容量电极材料、双碳全电池设计等方面总结策略，并展望先进表征、理论模拟和AI驱动材料/电解液设计。

研究背景

在可再生能源并网、电动交通、便携电子和人工智能基础设施快速发展的背景下，低成本、高安全和可持续的二次电池体系受到越来越多关注。传统锂离子电池凭借高能量密度和长循环寿命已经实现大规模商业化，但锂资源分布不均、镍钴等关键元素价格和环境成本较高，使其在大规模储能中的可持续性面临压力。

双离子电池(dual-ion batteries, DIBs)因此成为重要的下一代电池候选体系。与传统锂离子电池中只有阳离子在正负极之间往返不同，DIBs在充电时由电解液中的阴离子嵌入正极，同时阳离子进入负极；放电时二者分别回到电解液中。若采用石墨/硬碳等低成本碳基电极，DIBs有望兼具高工作电压、快速动力学、资源友好和本征安全等优势。

但这种优势并非“免费获得”。阴离子通常需要在高电位下嵌入石墨正极，高电压会显著放大电解液氧化、溶剂共嵌、界面膜破裂和副反应累积等问题。因此，高性能DIBs的设计不能只依赖单一材料突破，而需要从电解液、阴离子溶剂化、电极结构、界面和全电池匹配等维度进行系统优化。

内容简介

这篇综述围绕“高电压双离子电池如何走向高性能”这一核心问题展开。香港大学陈冠华等人首先介绍DIBs的基础机制，包括阴离子在石墨等层状材料中的嵌入行为、不同阴离子和阳离子对电压与容量的影响，以及阴离子从电解液扩散、脱溶剂化并穿过界面进入正极层间的过程。随后，文章将DIBs的瓶颈归纳为几个相互耦合的问题：高电压诱导电解液分解，强极性溶剂导致溶剂共嵌，CEI和SEI在宽电压窗口下难以稳定，正负极反应速率不匹配，石墨正极的阴离子储存容量有限，低温下离子传输受阻，以及有机电解液带来的安全风险和高电压自放电问题。针对这些问题，综述系统总结了高氧化稳定电解液、弱溶剂化/高浓度电解液、功能添加剂和人工界面层、高容量阴离子储存材料、双碳全电池动态匹配等策略。最后，作者进一步展望固态电解质、先进原位表征、理论计算和AI for Science在DIBs设计中的潜力，为这一体系从机理研究走向实用化提供了清晰路线图。

图文导读

I 高电压从何而来：双离子电池的工作图景

如图1所示，DIBs的核心特征在于正负极都参与离子存储：充电时，阴离子嵌入石墨正极，阳离子嵌入或沉积在负极；放电时，二者分别脱出并回到电解液中。石墨正极中的阴离子嵌入通常发生在较高电位，这使DIBs具备高工作电压和潜在高能量密度。同时，石墨等碳基材料资源丰富、成本低、无氧释放风险，也为大规模储能和高安全应用提供了想象空间。

图1. 不同金属阳离子的关键参数对比与双离子电池体系概览。

II 阴离子不是孤立运动：溶剂化微环境决定动力学和稳定性

DIBs中的阴离子不仅要“能嵌入”，还要“能顺利脱溶剂化并穿过界面”。图2展示了常见阴离子的分子结构，以及阴离子在电解液中扩散、到达正极表面、脱溶剂化、穿过CEI并进入石墨层间的过程。弱溶剂化有利于降低脱溶剂化能垒、提升倍率性能；但若阴离子-溶剂相互作用过强，整个溶剂化阴离子团簇可能一同进入石墨层间，引发溶剂共嵌、层间膨胀甚至结构剥离。

因此，电解液设计的目标不只是“电压窗口更宽”，还要精准调控阴离子周围的微环境，让阴离子能够快速、可逆、低副反应地参与正极反应。

图2. 典型阴离子的分子结构及其在电解液中的溶剂化、扩散与脱溶剂化过程。

III 优势和问题同源：高电压DIBs的挑战地图

在DIBs的高工作电压、快速阴离子动力学和碳基电极安全性，是其区别于传统电池体系的优势；但这些优势也直接带来高电压电解液分解、溶剂共嵌、界面不稳定、容量受限和正负极动力学失配等问题。尤其在高电压下，电解液分解产生的HF、气体和有机/无机副产物会持续破坏CEI和SEI，导致活性离子损失、阻抗增加、库仑效率下降和安全风险上升。

换句话说，DIBs不是简单把石墨“搬到正极”就能实现高性能，而是需要把电解液、电极和界面视为一个耦合系统进行设计。

图3. 双离子电池的优势、挑战、策略、应用需求与性能目标。

IV 电解液先行：把氧化稳定性、离子输运和界面成膜一起设计

在高电压DIBs中，电解液往往是最先被“拷问”的组成部分。文章总结了多类策略：通过氟化、氯化等分子工程降低溶剂HOMO能级，提高氧化稳定性；采用离子液体、砜类、腈类或磷酸酯类溶剂拓宽电化学窗口；利用高浓度或局域高浓度电解液增加接触离子对和聚集体比例，改变阴离子/阳离子溶剂化结构；通过功能添加剂优先氧化成膜，构筑更稳定的CEI。

这类策略的共同点是：电解液不再只是离子传输介质，而是同时承担高压稳定、溶剂化调控和界面化学调控的多重功能。

图4. 高电压电解液设计策略示例：分子轨道调控、卤代溶剂、离子液体、局域高浓电解液与功能添加剂等。

V 从材料到全电池：提升容量并匹配正负极动力学

容量受限是DIBs迈向实用化必须解决的问题。石墨正极层间距较小，而PF₆⁻、TFSI⁻等多原子阴离子尺寸较大，导致可逆嵌入容量天然受限。为提升阴离子储存能力，研究者尝试扩大碳材料层间距、引入杂原子掺杂、构建多孔导电网络，或开发具备氧化还原活性的有机正极材料。

与此同时，全电池中还存在“正极快、负极慢”的动力学不对称：阴离子在石墨正极中的迁移能垒较低，而阳离子在负极侧还要经历脱溶剂化、穿过SEI和固相扩散等步骤。若负极跟不上正极，就会出现极化增加、提前截止、枝晶或死金属累积等问题。因此，材料设计必须与电解液和界面策略配合，才能真正提升全电池性能。

图5. 高容量阴离子储存材料与全电池设计策略示例。

VI 从材料到全电池：提升容量并匹配正负极动力学

文章最后提出，DIBs未来的发展需要从“单点材料优化”转向“多尺度系统设计”。固态电解质有望提高安全性和电压稳定性；原位/在线表征能够捕捉高电压下阴离子嵌入、溶剂共嵌、界面膜演化和气体生成等动态过程；理论计算和分子动力学模拟可帮助理解阴离子-溶剂-电极之间的相互作用。

更值得关注的是，AI有望在电极材料筛选、电解液配方搜索、界面组成预测和寿命评估中发挥作用。对于组分空间极大、实验成本高、机理耦合强的DIBs来说，AI驱动的材料和电解液设计可能成为加速实用化的重要工具。

VII 从材料到全电池：提升容量并匹配正负极动力学

本文系统综述了高电压双离子电池(dual-ion batteries, DIBs)的基本反应机制、关键科学挑战与未来发展方向。不同于以往主要围绕材料类型和电化学性能展开的综述，本文以阴离子嵌入化学为核心，构建了“阴离子嵌入机制—高电压运行特征—电解液与界面副反应—全电池动态匹配”的分析框架，系统阐明了高电压DIBs性能优势与失效瓶颈之间的内在联系。

本文指出，高电压DIBs的性能优势主要源于其独特的阴离子嵌入机制。该机制使石墨等低成本碳基材料能够在较高电位区间作为正极活性材料参与反应，从而赋予电池体系高工作电压、快速反应动力学、较高安全性以及潜在的低成本优势。

与此同时，本文也强调，DIBs面临的核心挑战同样来自这一机制。高电压运行对电解液的氧化稳定性提出了严苛要求；阴离子需要在复杂溶剂化环境中完成快速脱溶剂化和可逆嵌入；正负极界面则必须在宽电压窗口、大体积变化以及持续副反应的耦合作用下保持结构与化学稳定性。

面向未来，本文提出，高性能DIBs的实用化并不依赖于某一单一“理想材料”的突破，而需要从电解液设计、界面调控、电极结构优化和全电池工程匹配等方面开展系统协同优化。先进原位/工况表征、理论模拟以及AI驱动的材料与电解液设计，有望为揭示反应机制、加速体系筛选和推动DIBs工程化应用提供重要支撑。

作者简介

陈冠华

本文通讯作者

香港大学 教授

▍主要研究领域

(1) 第一性原理量子力学方法；(2) 开放量子体系理论；(3) 机器学习辅助材料模拟。

▍主要研究成果

现任香港大学讲席教授。陈冠华教授于1986年本科毕业于复旦大学，1992年获美国加州理工学院博士学位，其后分别在加州理工学院和罗切斯特大学从事博士后研究。于1996年加入香港大学，并于2010年至2016年担任香港大学化学系系主任。现以通讯作者或合作作者发表230多篇论文，当选为美国物理学会会士和英国皇家化学会会士，曾获2016年裘槎优秀科研者奖以及2008年国家自然科学奖。

▍Email：ghc@everest.hku.hk

撰稿：原文作者

编辑：《纳微快报(英文)》编辑部

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Nano-Micro Letters《纳微快报(英文)》是上海交通大学主办、在Springer Nature开放获取(open-access)出版的学术期刊，主要报道纳米/微米尺度相关的高水平文章(research article, review, communication, perspective, highlight, etc)，包括微纳米材料与结构的合成表征与性能及其在能源、催化、环境、传感、电磁波吸收与屏蔽、生物医学等领域的应用研究。已被SCI、EI、PubMed、SCOPUS等数据库收录，2024 JCR IF=36.3，学科排名Q1区前2%，中国科学院期刊分区1区TOP期刊。多次荣获“中国最具国际影响力学术期刊”、“中国高校杰出科技期刊”、“上海市精品科技期刊”等荣誉，2021年荣获“中国出版政府奖期刊奖提名奖”。欢迎关注和投稿。

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