武理麦立强/王选鹏AM：水系可充电池中的快速离子存储

电网规模能源系统的高度动态性要求能量储存和转换系统具有快速动力学。可充水系电池是可再生能源电网的一种很有前景的储能解决方案，因为除了高度安全和低成本之外，水系电解质中的离子扩散率比有机系统高出1-2个数量级。最近在这方面的研究集中在开发合适的电极材料，以用于水系电解质中的快速离子存储。

武汉理工大学麦立强、王选鹏等综述了水系电池材料、一维/二维/三维（1D/2D/3D）和超三维隧道材料在快速离子存储领域的突破。目前，已经开发了具有不同隧道尺寸的各种材料以适应不同离子半径的Li⁺、Na⁺、K⁺、H⁺、NH₄⁺和Zn2⁺，这些材料在离子存储的反应动力学方面表现出显着差异。

图1 1D、2D、3D和超3D隧道的离子扩散示意图

对于电荷载流子，Li⁺、Na⁺、K⁺、H⁺、NH₄⁺和Zn²⁺的离子半径和电荷密度的变化使得每种离子都适合用作具有特定尺寸扩散通道的电极材料。此外，由于Stokes半径较小且易于脱水，具有大通道的材料对K⁺的倍率性能明显优于对Li⁺和Na⁺。

另外，H⁺和NH₄⁺离子通过氢键的断裂和重整，在具有晶格H₂O分子的材料中实现了难以置信的快速扩散动力学。最后，共嵌入或晶格H₂O分子可促进Zn²⁺扩散，并通过降低有效电荷密度阻止Zn²⁺与主体之间的强相互作用。

图2 开放式框架材料

对于隧道尺寸，1D隧道材料通常具有较长的扩散长度和较小的隧道尺寸，因此具有有限的快速离子存储能力。2D隧道材料主要是层状过渡金属氧化物。隧道的调节被认为是提高反应动力学的有效策略。层状材料中的柱状离子/分子，如Li⁺、K⁺、Co²⁺、Zn²⁺和H₂O，有助于改变层间结构。

此外，3D隧道材料是单价离子和二价离子的多功能主体，因为它们的大隧道有助于快速离子传输。NASICON材料通常具有较大的晶体和有限的隧道尺寸，这表明Li⁺、Na⁺和Zn²⁺可以用作合适的电荷载流子。

最后，与嵌入/脱出机制相反，超3D隧道材料（如有机、水和无序材料）没有长扩散隧道或经历相变，快速反应动力学通常通过低能垒实现。

图3 快速离子存储的途径

Fast Ionic Storage in Aqueous Rechargeable Batteries: From Fundamentals to Applications. Advanced Materials 2021. DOI: 10.1002/adma.202105611

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