水系可充電電池(ARB)具有成本低、固有安全性、環(huán)境友好性和優(yōu)異的電化學(xué)性能等優(yōu)點(diǎn)。在各種水系電池系統(tǒng)中，水系銨離子電池(AIBs)以其資源可承受性和極具競(jìng)爭(zhēng)力的電化學(xué)性能等獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，在未來(lái)大規(guī)模智能電網(wǎng)應(yīng)用的低成本儲(chǔ)能系統(tǒng)中顯示出巨大潛力，并受到了廣泛的研究。其獨(dú)特的電池化學(xué)機(jī)制也為電極和電池設(shè)計(jì)的探索帶來(lái)了新的見(jiàn)解和理解。然而，水系A(chǔ)IBs 的研究仍處于起步階段，AIBs 系統(tǒng)仍有許多科學(xué)問(wèn)題值得探索。

近日，溫州大學(xué)侴術(shù)雷&金輝樂(lè)團(tuán)隊(duì)及時(shí)詳細(xì)回顧了 AIBs 中電極材料、電解質(zhì)和電池化學(xué)的最新進(jìn)展。然后指出了進(jìn)一步的挑戰(zhàn)和機(jī)遇。其成果以題為 "Research Development on Aqueous Ammonium-Ion Batteries" 在國(guó)際知名期刊 Adv. Funct. Mater. 上發(fā)表。溫州大學(xué)為第一單位，我校侴術(shù)雷、金輝樂(lè)教授為該論文共同通訊作者。

圖文要點(diǎn)

圖1.NH₄⁺與各種常見(jiàn)一價(jià)和多價(jià)陽(yáng)離子的理化性質(zhì)比較.

如圖1 所示，與其他金屬離子相比，作為電荷載流子的資源豐富的銨離子在物理化學(xué)性質(zhì)方面表現(xiàn)出若干優(yōu)勢(shì)。首先，NH₄⁺ 的摩爾質(zhì)量?jī)H為 18 g mol^?1，其與那些金屬離子相比是最輕的，甚至比 H₃O⁺ 還要輕。此外，雖然它的離子半徑很大，為 1.48 ?，但銨離子的水合離子尺寸最小，為 3.31 ?。因此，重量輕和水合離子尺寸小都有助于 NH₄⁺ 離子在水系電解質(zhì)中快速擴(kuò)散。此外，與質(zhì)子或水合氫離子相比，相對(duì)適中的 NH₄⁺ 酸度有利于構(gòu)建溫和的酸性或中性電解質(zhì)環(huán)境，該環(huán)境的析氫副反應(yīng)較少，腐蝕性較小。最后，同樣值得注意的是，NH₄⁺呈四面體形狀，具有很強(qiáng)的擇優(yōu)取向性，與金屬離子的球形完全不同。在這種情況下，主體材料中的拓?fù)洳鍖踊瘜W(xué)可能與球形金屬離子電荷載流子不同，因此NH₄⁺ 離子電池可能會(huì)帶來(lái)揭示獨(dú)特電化學(xué)性能和電池化學(xué)的機(jī)會(huì)?？傮w而言，研究水性 NH₄⁺ 離子電池的可行性并揭示其潛在的非凡電池拓?fù)浣Y(jié)合化學(xué)是非常有意義的。

圖2. 水系銨離子電池“搖椅”式充放電工作原理示意圖.

圖3. 用于水系 AIB 的電極材料的電位和容量總結(jié).

圖4. 普魯士藍(lán)為代表的正極材料.

如上所述，包括PBA、金屬氧化物和有機(jī)材料在內(nèi)的各種材料已廣泛用作水系 AIB 的陰極。其中，具有剛性骨架結(jié)構(gòu)的PBA具有合成簡(jiǎn)單、成本低、擴(kuò)散通道大到足以容納大尺寸NH₄⁺離子和水分子、循環(huán)壽命超過(guò)10 000次及以上等巨大優(yōu)勢(shì)。以及顯著的倍率性能，是非常有前途的水系 AIB 正極材料。當(dāng)然，針對(duì)不同的應(yīng)用目的，其他類(lèi)型的正極材料也值得關(guān)注。

圖5. 過(guò)渡金屬氧化物/硫化物為代表的負(fù)極.

迄今為止，關(guān)于水系A(chǔ)IBs 的各種正極和負(fù)極材料的電化學(xué)行為已經(jīng)取得了成功和系統(tǒng)的討論。盡管幾種過(guò)渡金屬氧化物/硫化物和有機(jī)固體已成功用作銨離子存儲(chǔ)的陽(yáng)極主體，并且也取得了相對(duì)較好的性能。與正極相比，負(fù)極材料的研究興趣和強(qiáng)度似乎要弱一些?？梢钥闯?，關(guān)于陽(yáng)極的出版物數(shù)量還不到關(guān)于陰極的出版物數(shù)量的一半。對(duì)于電池而言，作為NH₄⁺ 離子的主體，陽(yáng)極與陰極同樣重要。因此，其他類(lèi)型的潛在負(fù)極材料也需要研究人員關(guān)注。

圖6. 水系銨離子電池研究中常規(guī)表征方法的示意圖.

電池在運(yùn)行時(shí)，無(wú)論是充電還是放電，正極、電解質(zhì)和負(fù)極這三個(gè)重要組成部分都直接參與了整個(gè)離子轉(zhuǎn)移過(guò)程。在電荷轉(zhuǎn)移過(guò)程中，正極和負(fù)極材料都會(huì)發(fā)生反復(fù)的氨化/脫氨過(guò)程，從而使它們?cè)诰w結(jié)構(gòu)、化學(xué)狀態(tài)和微觀(guān)形貌等方面發(fā)生一系列復(fù)雜而連續(xù)的變化。因此，深入研究和了解此類(lèi)電池系統(tǒng)中的電化學(xué)-結(jié)構(gòu)關(guān)系至關(guān)重要。

ADVANCED FUNCTIONAL MATERIALS為材料學(xué)科國(guó)際頂級(jí)期刊，影響因子為24.10。