摘 要

未来对于电能的生产，主要是利用清洁和可再生资源，如水、风、太阳光等，其需要在可持续的过程中使用丰富、低成本的材料，通过大功率和高能二次电池有效地进行电能储存，以缓解其会受到自然影响大等缺点，而对于传统的锂离子电池（LIBs）来说，价格相对昂贵且循环寿命有限，安全性较差，不适用于电网规模方面的储能。多价离子电池的优点非常明显，高容量，成本低廉，元素丰度高等，这些优点吸引了众多研究者的关注，在电池反应中，每个离子能够传递更多的电荷，使多价离子电池成为新一代储能体系的研究热点。近年来关于多价离子电池的研究与报道日益增多，表明了其在储能方面以及电池相关领域具有非常广阔的应用前景。为了更清楚的了解多价离子电池的研究进展，本文主要综述了具有代表性的3种多价离子电池（镁离子电池、铝离子电池和锌离子电池）的研究进展与前沿，并总结它们的优势和挑战。研究者的探索实验使它们的正负极材料体系呈多元发展且材料的选择也将慢慢得到完善优化，储能原理也更加明朗。同时，也对电解质体系方面近年来研究进展进行较为详细的总结描述，对具有代表性的研究者作出的突破性进展做阐述，并提出对未来研究的展望。

关键词：镁离子电池；锌离子电池；铝离子电池；正负极材料；储能机理；电解液

Abstract

Future generation of electrical energy will mainly use clean and renewable resources, such as water, wind, sunlight, etc., which requires the use of rich, low-cost materials in a sustainable way, effectively through high-power and high-energy secondary batteries to address the the shortcomings of natural impact of these resources. For traditional lithium-ion batteries (LIBs), the price is relatively expensive and the cycle life is limited, the safety is poor, making it unsuitable for grid-scale energy storage. The advantages of multivalent ion batteries are very obvious, such as high capacity, low cost and high element abundance. These advantages have attracted the attention of many researchers. In the multivalent ion battery reaction, each ion can carry more charge, making multivalent ion batteries a research hotspot of a new generation of energy storage systems. In recent years, there have been increasing research and reports on multivalent ion batteries, indicating that it has very broad application prospects in energy storage and battery-related fields. In order to more clearly understand the research progress of multivalent ion batteries, this thesis mainly reviews the research status and frontiers of three representative multivalent ion batteries (MIBs, AIBs, ZIBs), their advantages and challenges will be summarized. The exploration experiments of the researchers have made their positive and negative electrode material systems develop diversified and the choice of materials will be gradually improved and optimized, and the principle of energy storage is also clearer. This thesis also summarizes and describes the research progress of the electrolyte system in recent years in details, explains the breakthrough progress made by representative researchers, and proposes prospects for future research.

Key Words: magnesium-ion battery; zinc-ion battery; aluminum-ion battery; positive and negative electrode materials; energy storage-mechanism; electrolyt

目 录

第1章 绪论 1

第2章 镁离子电池的介绍 2

2.1 镁离子电池的概述 2

2.2 镁离子电池的机理 2

2.3 镁离子电池的研究进展 3

2.4 正极材料 3

2.5 负极材料 4

2.6 电解质 4

2.7总结与展望 5

第3章 铝离子电池介绍 6

3.1 铝离子电池的概述 6

3.2 铝离子电池的机理 6

3.3 铝离子电池的研究进展 7

3.4 正极材料 8

3.5 负极材料 9

3.6 电解质 9

3.7总结与展望 10

第4章 锌离子电池介绍 11

4.1 锌离子电池的概述 11

4.2 锌离子电池的机理 11

4.3 锌离子电池的研究进展 12

4.4 正极材料 13

4.5 负极材料 15

4.6 电解质 15

4.7总结与展望 16

第5章 结论 17

参考文献 18

致 谢 22

第1章 绪论

能源和环境问题一直是发展所需要面对的两大问题，煤炭、石油、天然气等作为传统不可再生能源正面临过度开发，需要环保型可再生能源作为替代，如水能和风能，也将是全球目前在能源方面的发展态势^[1]。发展可再生能源，需要将其产生的电能用储能装置进行储存。电池可任命这项工作，在近几年也获得了大发展^{[2, 3]}。锂离子电池（LIBs）虽然依靠高电压特点在市场仍然占据良好优势，但其短板也显而易见，资源短缺、安全性问题等是限制其发展的因素^[4]。需要其他更为安全、可持续发展的电池进行替代，因此研究多价离子电池具备很高的价值。

多价离子电池的优势强于LIBs^[5]，与以碳材料为负极的LIBs相比，多价离子电池多以金属为负极，稳定性强，潜力大，可大幅提高电池的能量密度^[6]。在电池循环过程中产生金属枝晶会更低甚至没有，能够极大保证电池的安全性^[6]。在充放电过程中可以携带更多的电荷，当正极材料提供相同数量的嵌入位点时，可以提供更多的电能。近年来关于多价离子电池的研究与报道日益增多，主要的代表是镁、铝和锌离子电池的研究，这三种电池都有着LIBs无法比拟的优点，如安全系数高、价格低廉、电化学性能强等，在储能和电池领域的前景可观。

第2章 镁离子电池的介绍

2.1 镁离子电池的概述

镁离子电池（MIBs）是很有潜力的新型电池之一，近年来取得了很不错的发展。Mg跟Li的化学性质相近，两个位置处于对角线处，如表2.1所示，但是MIBs比LIBs安全系数更高，因为镁和许多镁化合物的毒性很低甚至不存在毒性，而且镁不及锂活性高，很方便进行加工处理，镁的稳定性高，极少需要处理枝晶产生的问题，这也能保证电池的安全。镁在地壳中的含量高，价格比锂低廉24倍左右，我国镁金属资源相当充裕，对于开发MIBs具有显而易见的优势。