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金輝樂(lè)/侴術(shù)雷AFM綜述: 水系銨離子電池的研究進(jìn)展

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研究。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，因此對(duì)其發(fā)展現(xiàn)狀進(jìn)行系統(tǒng)總結(jié)是非常緊迫和必要的。

圖1. 水系A(chǔ)IBs的工作原理

在此，溫州大學(xué)金輝樂(lè)教授、侴術(shù)雷教授等人全面概述了水系A(chǔ)IBs的最新研究進(jìn)展，及時(shí)詳細(xì)總結(jié)了AIBs中的電解液和電池化學(xué)并指出了進(jìn)一步的挑戰(zhàn)和機(jī)遇。

首先，作者介紹了水系A(chǔ)IBs的工作原理，其遵循普遍的“搖椅”式工作原理，以NH₄⁺的形式在電池內(nèi)部的正負(fù)電極之間來(lái)回傳遞。然后，作者總結(jié)了用于水系A(chǔ)IBs的各種電極材料和電解液并討論了研究現(xiàn)狀。其中，正極材料包括六氰基鐵酸鹽、釩氧化物和有機(jī)聚合物等，負(fù)極材料包括過(guò)渡金屬氧化物/硫化物、有機(jī)化合物等。

此外，根據(jù)其溶解度討論了AIBs中不同濃度（稀釋和濃縮）電解液的研究進(jìn)展。接下來(lái)，作者簡(jiǎn)要描述了用于研究水系A(chǔ)IBs系統(tǒng)中的電化學(xué)-結(jié)構(gòu)關(guān)系的關(guān)鍵技術(shù)，包括原位/異位衍射、電子顯微鏡、X射線光電子能譜、振動(dòng)光譜技術(shù)及理論模擬/計(jì)算等。

圖2. 水系電池研究中常規(guī)表征方法的示意圖

最后，作者展望了未來(lái)水系A(chǔ)IBs的發(fā)展：

（1）電極材料方面，PBAs因其優(yōu)異的電化學(xué)行為和與NH₄⁺完美匹配的晶格結(jié)構(gòu)而成為眾所周知的電活性材料，但其相對(duì)較小的質(zhì)量密度導(dǎo)致無(wú)競(jìng)爭(zhēng)力的低體積容量。此外，與正極相比，負(fù)極材料似乎受到的關(guān)注相對(duì)較少；

（2）電解液方面，理想的電解液通常需要具有實(shí)現(xiàn)NH₄⁺快速傳輸?shù)母唠x子電導(dǎo)率、穩(wěn)定且寬的電化學(xué)窗口、無(wú)寄生副反應(yīng)且與電極材料相容性好等特點(diǎn)。此外，電解液添加劑在提高電解液和電池性能方面也發(fā)揮著重要作用；

（3）電池類型方面，與水系單離子電池相比，以NH₄⁺和二次離子作為電荷載體的銨基混合或雙離子電池可提供更高的工作電壓和能量密度。同時(shí)，柔性水系A(chǔ)IBs在柔性可穿戴電子產(chǎn)品中也顯示出潛在應(yīng)用。因此，銨基混合或雙離子電池和柔性水系A(chǔ)IBs需要更多的研究來(lái)支持其發(fā)展。

圖3. 水系NH₄⁺存儲(chǔ)方面的最新研究進(jìn)展

Research Development on Aqueous Ammonium-Ion Batteries, Advanced Functional Materials 2022. DOI: 10.1002/adfm.202112179

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