电池技术的发展正处于十字路口。电池在功能上可分为动力电池和蓄能电池两大类，动力电池只有锂离子电池可以完全胜任。锂离子电池在单位质量或是单位体积能够提供的能量上是所有已商业化可充电电池中最高的。在过去的40年中，整个电池界不遗余力地提高锂电池的能量密度，至今成果斐然，但是锂电池并不适合蓄能。主要原因其实并非成本，近年来锂电池的成本在不断地降低。锂电池如果作为蓄能电池，其挑战是安全性。它所使用的基于有机溶剂的电解质在受热分解后所产生的气体易燃易爆炸，以至产生不可调和的安全隐患。
对于蓄能电池，什么才是衡量其价值的标尺呢？成本—平准化成本，也就是一个电池在其全部使用寿命期间所输出的每度电的成本。和动力电池优先追求能量密度不同，蓄能电池的低成本可以通过不同途径实现。如何来估计平准化成本呢？在最近发表于Energy Environ. Sci.的综述中，俄勒冈州立大学纪秀磊教授（点击查看介绍）提出如下公式：
这里Ccc是资本成本，Cm是维护成本，Ce是购电成本，而n、E、EE和DoD分别是循环次数、电池能量密度、电池能量效率和电池放电深度。在设计新的电池化学时，我们要考虑如何将该公式的分子最小化；而分母的这个乘积，也就是一个电池在其使用寿命中所能储存的全部电能总量，这个值是要最大化的。如何实现这样的目标呢？作者提出了一系列的对于蓄能电池未来发展路线图的设想。这篇综述的核心思想是建议领域从设计一个化学合成反应的视角来全面地审视如何设计新的电池化学，这将和传统的电池研究相比较形成一个范式的转变。
传统的电池研究是从材料科学的角度出发，主要关注的是电池中电极材料的设计。无论是从形貌，微观、纳米、原子结构上的考量，处于研究中心的是材料本身，或者是电解质本身。在传统电池研究中，离子载流子被设定成一个固定不变的参数。比如大部分的电池研究，将锂离子作为默认选择。在最近的钠离子电池研究中，钠离子是新一代的默认选项。
而从化学反应的角度来看待电池的设计，无论是电极材料还是离子载流子都是化学反应中的反应物，电池中的电解质就是化学反应的反应媒介，而电池的器件本身则是一个反应器，反应器组态的不同，可以直接导致电池中化学反应的产物有差异。一个化学反应能否自发进行，则取决于反应物之间的相互作用力。在电池中，这个作用力就是电极材料和在其内部结构中穿梭的离子载流子之间的化学键。就这样，电池的设计被解析成为五个维度的综合考量。这个五个维度是：电极材料、离子载流子、电极材料和离子载流子之间的化学键作用、电解质和电池器件组态（如下图）。而这五个维度两两组合即成为十个“领域面”。可以看到的是锂电池是一个领域中的一种技术，寻找最好的蓄能电池需要在一个五维空间中取得平衡。
作者回顾了电池界一些重要的发展。在锂电池上，作者认为，人们发现不同的锂电池电极材料的顺序是根据研究人员的常识所预见的电池材料性能的优劣，由被认为的高能性到低能性依次被发现，就好像人们从梯田的高处向低处走。所以超前的创新，就必须打破这一常规。作者进而回顾了电池研究中使用过的载流子，比如钠、钾、镁、铝、铁、锌、铜、质子、铵根、氧、硫、氯、溴、碘等等（如下图）。在作者研究其中部分载流子和电极搭配的过程中，作者发现了一条主线。这条主线也就是可能将这五个维度降维的方法，也是寻找蓄能电池化学的一条线索。在这篇文章中，作者着重强调了电极结构和离子载流子之间的相互作用，作为重要线索。
而在传统的电池研究中，电极结构和载流子的相互作用，大多时候被默认为全部是离子键。而当我们重新审视这个维度的时候，事情远非如此简单。比如当质子作为载流子的时候，它可以和电极中的结晶水相互作用，通过格罗特斯机理进行传导，作者将这样的快速充放电的行为，第一次定义为格罗特斯赝电容。再者，当载流子和电极本身有路易斯供体受体化学键的时候，也就是有部分共价键的时候，作者和其合作者在最近发现，这种电极的充放电非常之快，完败只有离子键的情况。作者将这样的作用力定义为：电池共价离子键；并提出一个猜想：电池共价离子键和赝电容有着强相关性。将这一类赝电容第一次定义为：共价离子键赝电容。
对于电池器件组态的思考，其实是电池领域最近有了新的动向。任何电池的电极在工作时都要满足一个电中性原理。因为在化学反应中，所得到的产物都是不带电荷的。所以在两个电极“掰手腕”之后，输了的负极要通过外电路的导线把电子交给赢了的正极。我们知道电子是带一个负电荷的，一个电中性的原子或是分子如果失去一个电子时 0 -（-1）= 1，它会带上一个正电荷。这个原子或分子就变成了一个阳离子，所以负极就会多出来阳离子。那么如何让负极在这种情况下，依然电中性呢？有两个途径：（A）是让阳离子自行离开，那么剩下的就自然是电中性了；（B）是让负极再接纳带有相同电荷的阴离子，这样一阴一阳，就中和为电中性了。相似的情况，在正极上维持电中性，也是两个方案：或是（a）接纳阳离子或是（b）让阴离子自己走。
如果把负极的(A)、(B)和正极的(a)、(b)做一下连线。我们会有四种情况。情况甲：如果是负极选（A）让阳离子自行离开，而正极如果选择方案（a）接纳阳离子，来维持电中性，电解质中的阳离子就不会变多，因为负极踢出来的，正极照单全收。而这种情况可以是锂离子电池，阳离子摇椅电池的工作原理。情况乙：如果负极选择（A），而正极如果选择方案（b）让阴离子自己走，进入电解质中，这就是双离子电池，手风琴电池的工作原理。这种情况，电解质中会出现相同电荷的阳离子和阴离子，这样的电解质就变浓了。情况丙：如果负极选（B）让负极接纳阴离子，正极选择（b）让阴离子自己走，这叫做阴离子摇椅电池，这和情况甲是类似的。最后是情况丁：负极选择（B）接纳阴离子，而正极选择方案（a）接纳阳离子，这种情况是作者实验室在2019年提出来的反向双离子电池。这就是四种电池的基本器件组态。
文章的最后，作者对水系蓄能电池提出了一个展望。其中要提醒大家的是对于测试电流密度的选择。如果使用高的电流密度，就一定要说清楚，这样的研究不着重考虑水的分解问题，就是析氢、析氧的情况是不在考虑范围的。水系电池低电流测试才能得出最重要的关于实用性的结论。
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A paradigm of storage batteries
Xiulei Ji
Energy Environ. Sci., 2019, 12, 3203-3224, DOI: 10.1039/C9EE02356A
导师介绍
纪秀磊
https://www.x-mol.com/university/faculty/73364
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