Angew. Chem. :铵离子电池的电极材料、电化学行为与性能提升策略

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近些年来,铵离子电池以其高安全性和快速扩散动力学等优点在水系电池领域受到了广泛的关注。由于NH4+与宿主材料之间存在氢键作用,铵离子电池与常规的碱金属离子电池有着不同的存储机制。此外,铵离子电池还具有安全、无毒、环保等优点,使得这项电化学存储技术具有大规模的应用前途。尽管目前已经报道了一些铵离子电池体系,并研究了许多材料的性质,但它们的各项性能与技术指标仍处于初级阶段,很难满足未来电化学储能设备的要求。因此,有必要对铵离子电池的研究工作做一个全面的梳理,分析和总结过去的研究心得、经验和教训,以便在未来的工作中构建更好的电池体系。



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近日,比利时那慕尔大学苏宝连院士和宁波大学舒杰教授报道了铵离子电池的最新研究进展,概述了铵离子电池的基本特点、类型及其工作机制,归纳了电极材料的结构特征及其与电化学行为的关系,总结了电解液的组成、分类及其改性策略,最后给出了铵离子电池未来发展的挑战、设计策略和前景。

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具体地,铵离子电池主要有以下优点:(1)高离子电导NH4+电解质有助于提高铵离子电池的倍率性能;(2) 较小的NH4+水合离子半径和较轻的摩尔质量轻有利于NH4+在水系电解质中的快速扩散;(3) 铵盐水解形成的弱酸性或中性电解质环境有助于抑制副反应的发生;(4) 不同于球形电荷载体,四面体NH4+在嵌入过程中形成的氢键有利于获得稳定的电化学性能;(5) 铵盐价格相对低廉。

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在该总结中,作者介绍了电极材料的电化学性质与其存储机制之间的相关性,包括NH4+扩散通道和宿主材料晶格结构之间的联系。详细地概述了嵌入型无机电极材料的一维扩散通道、二维扩散通道和三维扩散通道,及成键型有机电极材料的基本工作机制。

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此外,作者还提出了提高铵离子电池电化学性能的可行策略,包括优化工作窗口、预嵌入工程和电解液设计等。最后,本文讨论了铵离子电池可能存在的技术和安全问题,展望了铵离子电池在构建先进储能系统上面临的挑战,这些梳理和总结工作有望为铵离子电池的合理设计和实际应用提供更多的思路。

文信息

Ammonium Ion Batteries: Material, Electrochemistry and Strategy

Runtian Zheng, Yuhang Li, Haoxiang Yu, Xikun Zhang, Yang Ding, Lei Yan, Yu Li, Jie Shu*, Bao-Lian Su*.

文章的第一作者郑润田曾是宁波大学的硕士研究生,现为比利时那慕尔大学博士研究生。


Angewandte Chemie International Edition

DOI: 10.1002/anie.202301629




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