金辉乐/侴术雷AFM综述: 水系铵离子电池的研究进展

在各种水系电池系统中，水系铵离子电池（AIBs）以其资源可承受性和极具竞争力的电化学性能等独特优势，在未来大规模智能电网应用的低成本储能系统中显示出巨大潜力并受到了广泛研究。然而，水系AIBs的研究仍处于起步阶段，AIBs系统仍有许多科学问题值得探索，因此对其发展现状进行系统总结是非常紧迫和必要的。

图1. 水系AIBs的工作原理

在此，温州大学金辉乐教授、侴术雷教授等人全面概述了水系AIBs的最新研究进展，及时详细总结了AIBs中的电解液和电池化学并指出了进一步的挑战和机遇。

首先，作者介绍了水系AIBs的工作原理，其遵循普遍的“摇椅”式工作原理，以NH₄⁺的形式在电池内部的正负电极之间来回传递。然后，作者总结了用于水系AIBs的各种电极材料和电解液并讨论了研究现状。其中，正极材料包括六氰基铁酸盐、钒氧化物和有机聚合物等，负极材料包括过渡金属氧化物/硫化物、有机化合物等。

此外，根据其溶解度讨论了AIBs中不同浓度（稀释和浓缩）电解液的研究进展。接下来，作者简要描述了用于研究水系AIBs系统中的电化学-结构关系的关键技术，包括原位/异位衍射、电子显微镜、X射线光电子能谱、振动光谱技术及理论模拟/计算等。

图2. 水系电池研究中常规表征方法的示意图

最后，作者展望了未来水系AIBs的发展：

（1）电极材料方面，PBAs因其优异的电化学行为和与NH₄⁺完美匹配的晶格结构而成为众所周知的电活性材料，但其相对较小的质量密度导致无竞争力的低体积容量。此外，与正极相比，负极材料似乎受到的关注相对较少；

（2）电解液方面，理想的电解液通常需要具有实现NH₄⁺快速传输的高离子电导率、稳定且宽的电化学窗口、无寄生副反应且与电极材料相容性好等特点。此外，电解液添加剂在提高电解液和电池性能方面也发挥着重要作用；

（3）电池类型方面，与水系单离子电池相比，以NH₄⁺和二次离子作为电荷载体的铵基混合或双离子电池可提供更高的工作电压和能量密度。同时，柔性水系AIBs在柔性可穿戴电子产品中也显示出潜在应用。因此，铵基混合或双离子电池和柔性水系AIBs需要更多的研究来支持其发展。

图3. 水系NH₄⁺存储方面的最新研究进展

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

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