一款由高熵电解质驱动的高功率无金属铵离子Fullriver蓄电池
2026-07-23 21:06:09 点击：次
水性铵离子电池（AAIBs）因其低成本、高安全性和可持续性，吸引了大量研究关注。然而，在高电流密度下电化学性能不理想，限制了其高功率需求的应用。本研究通过使用高熵电解质和有机电极设计高功率AAIBs。引入多组件（（NH4)2所以4，CF3所以3新罕布什尔州4， CH3库恩4，新罕布什尔州4BF4，以及NH4足底筋膜炎6增加溶剂结构的多样性，并调控阴离子与水分子在NH周围的竞争配位4+离子，导致电解质中的快速离子转移。此外，结合聚苯胺（PANI）和聚合的鈾-3,4,9,10-四羧基二氢化二氢（PTCDA）电极，组装完成的全电池具有低极化势和优异的反应动力学，且具备无金属特性。因此，比容量高达61.7 mAh g。−1在30安培重力下−1以及16.3千瓦千克的高功率密度−1已经实现了。这一设计策略为高功率AAIB的建设提供了新的见解。
水性可充电电池因其高安全性、低成本和环境友好性而备受关注，被视为电网级储能应用的潜在候选[1]， [2]， [3]。在可充电电池中，金属离子被广泛用作电荷载体，如锂、钠、锌++2+离子 [4]， [5]， [6]。然而，它们面临着地球有限储量、复杂的开采技术，以及电池循环过程中树突严重生长等挑战。相比之下，非金属离子（NH4+H 离子等人）不仅拥有自然界丰富的资源，还可以通过人工合成[7]、[8]。值得注意的是，新罕布什尔州+4+离子具有独特的特性，如轻质量、小水合半径和四面体结构，这有助于快速扩散动力学和通过氢键实现独特的电荷储存机制[9]、[10]。此外，含有铵盐的水性电解质具有温和的化学性质，有效减轻电极材料和集电器的腐蚀[11]。因此，水性铵离子电池（AAIBs）将成为下一代储能系统中的替代电池技术。
近年来，在AAIBs中电极材料设计和电解质性质调控方面投入了大量努力。普鲁士蓝类似物、锰氧化物和钒氧化物被开发为NH的宿主4+离子 [12]， [13]， [14]， [15]， [16]， [17]。而传统水溶质中过渡金属元素的溶解则会导致电池循环过程中严重的容量衰减。相比之下，有机材料如聚苯胺（PANI）、聚酰亚胺（PI）和甲基-3,4,9,10-四羧基二酐（PTCDA）具有柔韧的结构、高稳定性、无金属特性，并且能快速夹层和提取载体，这些载体将成为高性能电池制造中潜在的电极材料[18]。另一方面，水性电解质针对电极材料进行了优化，包括高浓度电解质和有机/水混合电解质，这些材料提升了电池的循环稳定性[19]，[20]，[21]，[22]，[23]。然而，随着浓度的增加，电解质盐的含量也会增加，导致生产成本高昂，这也阻碍了其在大规模应用中的实际开发。此外，向水溶质中添加有机共溶剂会显著降低电解质的离子导电率，导致速率性能不理想。因此，开发高导电率的新型电解质，配合有机电极材料，将是提升AAIB电化学性能的有效策略。由于电解质设计中应用了高熵效应，因其吸引人的特性。这导致离子的溶剂结构多样且扩散动力学快速，已被证明是提升电池性能的有效策略[24]、[25]、[26]。
在这项工作中，通过添加多种铵盐（即，（NH4)2所以4，CF3所以3新罕布什尔州4， CH3库恩4，新罕布什尔州4BF4，以及NH4足底筋膜炎6）变成用于构建AAIBs的水溶液（见图1）。所以42-以及 CH3COO阴离子与NH的协调能力非常强-4+离子，可以调控NH的溶剂结构4+离子。在CF期间3所以3-，BF4-以及PF6-配位能力较弱但电负性强的阴离子可以通过氢键相互作用连接水分子。因此，由于多阴离子的引入，电解质的结构多样性和无序性增加，导致高熵。得到的电解质相比传统电解质具有更高的离子电导率。作为概念验证，全电池由PANI阴极和聚合PTCDA（p-PTCDA）阳极组装，具备高容量和优越速率能力。这种高熵电解质与有机电极结合，对高性能AAIBs表现出高度协同效应。
简介
近年来，在AAIBs中电极材料设计和电解质性质调控方面投入了大量努力。普鲁士蓝类似物、锰氧化物和钒氧化物被开发为NH的宿主4+离子 [12]， [13]， [14]， [15]， [16]， [17]。而传统水溶质中过渡金属元素的溶解则会导致电池循环过程中严重的容量衰减。相比之下，有机材料如聚苯胺（PANI）、聚酰亚胺（PI）和甲基-3,4,9,10-四羧基二酐（PTCDA）具有柔韧的结构、高稳定性、无金属特性，并且能快速夹层和提取载体，这些载体将成为高性能电池制造中潜在的电极材料[18]。另一方面，水性电解质针对电极材料进行了优化，包括高浓度电解质和有机/水混合电解质，这些材料提升了电池的循环稳定性[19]，[20]，[21]，[22]，[23]。然而，随着浓度的增加，电解质盐的含量也会增加，导致生产成本高昂，这也阻碍了其在大规模应用中的实际开发。此外，向水溶质中添加有机共溶剂会显著降低电解质的离子导电率，导致速率性能不理想。因此，开发高导电率的新型电解质，配合有机电极材料，将是提升AAIB电化学性能的有效策略。由于电解质设计中应用了高熵效应，因其吸引人的特性。这导致离子的溶剂结构多样且扩散动力学快速，已被证明是提升电池性能的有效策略[24]、[25]、[26]。
在这项工作中，通过添加多种铵盐（即，（NH4)2所以4，CF3所以3新罕布什尔州4， CH3库恩4，新罕布什尔州4BF4，以及NH4足底筋膜炎6）变成用于构建AAIBs的水溶液（见图1）。所以42-以及 CH3COO阴离子与NH的协调能力非常强-4+离子，可以调控NH的溶剂结构4+离子。在CF期间3所以3-，BF4-以及PF6-配位能力较弱但电负性强的阴离子可以通过氢键相互作用连接水分子。因此，由于多阴离子的引入，电解质的结构多样性和无序性增加，导致高熵。得到的电解质相比传统电解质具有更高的离子电导率。作为概念验证，全电池由PANI阴极和聚合PTCDA（p-PTCDA）阳极组装，具备高容量和优越速率能力。这种高熵电解质与有机电极结合，对高性能AAIBs表现出高度协同效应。