Cose chiave da sapere:
- Avanzare l’AIB Tecnologia: Le batterie agli ioni di ammonio (AIB) offrono un'alternativa più sicura ed ecologica alle batterie tradizionali, utilizzando acetato di ammonio (NH4Ac) che impedisce la crescita dendritica e prolunga la durata della batteria.
- Materiali anodici innovativi: I recenti sviluppi nei materiali anodici come gli MXene, esplorati attraverso calcoli DFT, mostrano promettenti prestazioni a bassa tensione e alta densità di energia.
- Comportamento pseudocapacitivo: Gli anodi MXene negli AIB mostrano un comportamento pseudocapacitivo unico con NH4Ac, raggiungendo elevata capacità e stabilità su 5000 cicli, un progresso significativo rispetto ad altri materiali.
- Miglioramenti sostenuti dalla ricerca: Studi come quelli di Sun et al. confermare i vantaggi dell’utilizzo dell’acetato di ammonio, migliorando la sicurezza e l’efficacia complessive degli AIB.
Molti architetture di batterie ora esistono mentre ingegneri e scienziati cercano di orientarsi Batterie agli ioni di litio per provare a portare nuovi sistemi di batterie che abbiano un’elevata densità di energia, possano caricarsi più velocemente o siano più rispettosi dell’ambiente. Negli ultimi anni, molte nuove architetture di batterie sono state commercializzate dopo anni di sviluppo accademico, e altre nuove batterie stanno iniziando a prendere il loro posto nel mondo accademico.
Una di queste batterie sono le batterie agli ioni di ammonio (AIB), che utilizzano elettroliti acquosi, quindi sono più sicure e meno soggette a instabilità termica. Gli AIB hanno un costo basso, stabilità intrinseca, buone proprietà elettrochimiche e sono rispettosi dell'ambiente. Si tratta di un'area più recente della ricerca sulle batterie rispetto ad alcuni dei sistemi più consolidati e, sebbene esista il potenziale per creare batterie più rispettose dell'ambiente, gli AIB sono stati frenati dalle sfide nella progettazione degli anodi.
Il potenziale delle batterie all'ammonio
Gli AIB lo sono batterie ricaricabili che utilizzano ioni ammonio (NH4+) come portatori di carica. Rispetto ai tradizionali ioni metallici – Li+, Na+, K+, Zn2+ e Mg2+ – gli ioni ammonio hanno caratteristiche di diffusione rapida negli elettroliti acquosi (a base di acqua) poiché hanno un raggio ionico più piccolo e una massa molare più leggera. Inoltre, gli ioni di ammonio non subiscono una crescita dendritica, che spesso è responsabile del cortocircuito della batteria, a differenza di molti altri batterie agli ioni metallici, quindi esiste il potenziale per creare batterie più sicure che si degradano più lentamente. Gli elettroliti agli ioni di ammonio sono anche più rispettosi dell'ambiente rispetto ai solventi organici utilizzati nelle batterie agli ioni metallici e sono anche molto più economici. Uno degli elettroliti più comuni è l'acetato di ammonio (NH4Ac).
Per sottolineare ulteriormente i vantaggi ambientali e la sicurezza operativa degli AIB, studi recenti, come quelli di Sun et al., evidenziano il ruolo degli elettroliti di acetato di ammonio (NH4Ac) nel migliorare la stabilità e la capacità di queste batterie. A differenza degli elettroliti tradizionali, NH4Ac aiuta a prevenire la formazione di dendriti, che spesso rappresentano un grave pericolo per la sicurezza durante il funzionamento delle batterie. Questa caratteristica non solo migliora la sicurezza ma estende anche significativamente il ciclo di vita della batteria, rendendo gli AIB un'opzione più sostenibile a lungo termine.
Tutte queste caratteristiche dimostrano che esiste un grande potenziale per gli AIB, soprattutto perché queste caratteristiche sono spesso viste come vantaggi rispetto alle batterie agli ioni metallici, che oggi sono diventate lo standard commerciale. È stato dedicato molto lavoro alla progettazione del catodo degli AIB e ora è possibile ottenere capacità specifiche elevate. Esempi di catodi includono materiali a base di nichel, manganese e vanadio. Tuttavia, non sono stati fatti molti sforzi nella progettazione dell’anodo e l’interazione tra l’anodo e l’elettrolita è un’area che necessita ancora di essere sviluppata ulteriormente.
Sviluppi in nuovi materiali anodici
L'anodo è attualmente il fattore limitante per gli AIB, poiché ad oggi non sono molti i materiali anodici che hanno una bassa tensione di esercizio. Lo sviluppo degli anodi AIB è stato limitato principalmente agli ossidi/solfuri dei metalli di transizione e ai polimeri organici. Questi non sono materiali ideali perché i composti dei metalli di transizione tendono ad avere scarse capacità e l’anodo polimerico ha un tasso di dissoluzione elevato, che porta a una scarsa stabilità del ciclo. Ciò ha reso molti degli AIB sviluppati fino ad oggi non realizzabili per applicazioni pratiche.
Nonostante le sfide materiali, nuovi materiali continuano ad essere offerti e sperimentati. Una classe di materiali che è stata pubblicizzata come una potenziale soluzione è MXeni. Gli MXeni sono materiali 2D creati da un materiale in fase MAX, che ha la formula generale di Mn+1AXn. In questa struttura chimica, M è un metallo di transizione iniziale, A è un elemento del gruppo 13 o 14 e X è carbonio o azoto.
Gli MXene hanno una gamma di proprietà benefiche per gli elettrodi. Ad esempio, hanno un’eccellente conduttività elettrica e un’elevata attività superficiale, e il modo in cui gli strati si impilano uno sopra l’altro è auspicabile per l’immagazzinamento degli ioni, soprattutto rispetto ad altri tipi di nanomateriali. Pertanto, gli MXene sono visti come un potenziale vantaggio per gli AIB e attualmente si sta svolgendo molto lavoro teorico per vedere se valga la pena esplorarli ulteriormente a livello sperimentale.
Il potenziale degli MXene come materiali anodici efficaci nelle batterie agli ioni di ammonio è supportato da calcoli dettagliati della teoria del funzionale densità (DFT). Come illustrato nella Figura 1 di seguito, questi calcoli rivelano il basso potenziale di lavoro e l'elevato comportamento pseudocapacitivo dei materiali MXene, in particolare V2CTx, che suggeriscono la loro idoneità per applicazioni ad alte prestazioni nella tecnologia delle batterie.
a È raffigurata la prospettiva laterale del modello strutturale per V2CTx MXene. Le sfere colorate in grigio, nero e arancione rappresentano rispettivamente le terminazioni V, C e T. avanti Cristo Sono mostrate rispettivamente le curve del potenziale elettrostatico medio piano per V2CO2 e V2CF2. d Viene illustrata la curva del potenziale elettrostatico medio piano per 1T-MoS2. e Viene dimostrata la correlazione tra la funzione di lavoro e la finestra del potenziale operativo dei materiali bidimensionali studiati in questa ricerca.
Nel corroborare l'idoneità degli MXene per le applicazioni AIB, la ricerca delineata in Nature Communications di Sun et al. discute le proprietà pseudocapacitive dei V2CTx MXenes quando utilizzati con elettroliti NH4Ac. Questi materiali non solo promettono potenziali di lavoro inferiori, ma dimostrano anche maggiore stabilità e densità energetica, fondamentali per le batterie ad alte prestazioni. L’elevata attività superficiale intrinseca degli MXene ne migliora l’efficienza, facendo avanzare significativamente la fabbricazione di anodi nelle tecnologie delle batterie sostenibili.
I calcoli DFT suggeriscono il miglior elettrolita acquoso per gli anodi MXene
La teoria del funzionale della densità (DFT) è una tecnica consolidata nel campo della teoria e chimica computazionale ed è spesso utilizzato per modellare e sondare le proprietà di diversi sistemi di materiali per vedere se sono fattibili per una particolare applicazione (oltre che per dedurne la struttura). I calcoli DFT hanno dimostrato che MXene, V2CTx, ha la finestra di potenziale di lavoro più bassa rispetto ad altri materiali a base di vanadio, quindi ha il potenziale per essere un materiale anodico promettente per gli AIB.
I ricercatori hanno ora esaminato più a fondo questo anodo MXene utilizzando una combinazione di calcoli DFT e metodi di caratterizzazione fisica dei materiali per vedere come interagisce con l’elettrolita acquoso e per indagare su quali potrebbero essere le prestazioni di questi anodi. I ricercatori hanno scoperto che questo anodo MXene mostra un comportamento pseudocapacitivo per l'immagazzinamento di ioni ammonio, con una capacità specifica di 115.9 mAh g-1 a 1 A g-1 e una ritenzione di capacità del 100% dopo 5000 cicli a 5 A g-1.
Nonostante molti elettroliti acquosi siano stati sperimentati con l'anodo MXene, inclusi (NH4)2SO4, NH4Cl, (NH4)2C2O4 e NH4Me, l'unico elettrolita in cui l'anodo MXene ha mostrato questo comportamento pseudocapacitivo era con l'elettrolita acetato di ammonio NH4Ac. Le prestazioni del comportamento pseudocapacitivo esibite tra l'anodo MXene e l'elettrolita NH4Ac superano fino ad oggi tutti gli elettrodi di tipo capacitivo negli AIB.
Per sondare le proprietà dell'anodo e la sua interazione con l'elettrolita, sul posto Sono state effettuate misurazioni della microbilancia elettrochimica a cristalli di quarzo (EQCM) che hanno mostrato un processo elettrochimico in due fasi che genera il comportamento di stoccaggio pseudocapacitivo nell'elettrolita di acetato di ammonio.
I risultati sperimentali sono stati seguiti da calcoli e simulazioni DFT per comprendere meglio questo processo elettrochimico. La prima parte del processo prevedeva l'adsorbimento/deposizione elettrostatica di NH4+ sulla superficie dell'MXene. Nella seconda fase del processo avviene una reazione redox tra i gruppi d-V2CTx dell'anodo e i gruppi [NH4+(HAc)3] dell'elettrolita. Durante questo processo redox, lo ione centrale NH4+ agisce come uno pseudo-protone, facilitando l'alternanza delle terminazioni V2CTx. Ciò quindi modifica lo stato di valenza degli ioni vanadio nel complesso, promuovendo il trasferimento di carica.
L'uso innovativo dell'acetato di ammonio negli AIB a base di MXene non solo migliora la stabilità elettrochimica ma migliora anche la capacità di accumulo di energia, come dettagliato da Sun et al. Questa svolta è attribuita all’interazione unica tra gli ioni NH4+ e l’elettrolita, che facilita il trasporto efficiente degli ioni e una solida stabilità del ciclo, gettando le basi per soluzioni di stoccaggio dell’energia di prossima generazione.
I ricercatori hanno anche confermato l’effetto di potenziamento degli ioni acetato in una batteria agli ioni di ammonio a base di MoS2 (un altro materiale 2D della famiglia dei dicalcogenuri di metalli di transizione). La possibilità di essere utilizzato con materiali diversi significa che l'elettrolita acetato potrebbe essere utilizzato insieme a diversi materiali 2D per migliorare la capacità degli AIB. Questo approccio ha anche il potenziale per rompere i limiti di capacità sia nel faradaico (redox) che nel non faradaico (solo interazioni elettrostatiche) e potrebbe offrire un modo per migliorare diversi AIB e portare alla creazione di batterie più sostenibili.
Considerazioni sull'impatto ambientale e sulla sicurezza delle batterie agli ioni di ammonio
Il passaggio alle batterie agli ioni di ammonio (AIB) non rappresenta solo un miglioramento tecnico rispetto ai sistemi di batterie tradizionali, ma anche un significativo passo avanti nella conservazione dell’ambiente. Gli AIB utilizzano materiali meno pericolosi e implicano reazioni chimiche più sicure, che riducono il rischio di incidenti e diminuiscono l'inquinamento ambientale. Studi come quelli di Sun et al. In Nature Communications hanno dimostrato che l’uso di elettroliti più sicuri come l’acetato di ammonio mitiga in modo significativo rischi come l’instabilità termica e la lisciviazione chimica, rendendo gli AIB una scelta preferita per lo stoccaggio sostenibile dell’energia.
Riferimento:
Sun Z. et al., Un elettrolita acetato per una maggiore capacità pseudocapacitiva nelle batterie acquose agli ioni di ammonio, Nature Communications, 15, (2024), 1934.