Perkara Utama yang Perlu Diketahui:
- Memajukan AIB Teknologi: Bateri Ammonium Ion (AIB) menawarkan alternatif yang lebih selamat dan mesra alam berbanding bateri tradisional, menggunakan ammonium asetat (NH4Ac) yang menghalang pertumbuhan dendritik dan meningkatkan hayat bateri.
- Bahan Anod Inovatif: Perkembangan terkini dalam bahan anod seperti MXenes, diterokai melalui pengiraan DFT, menunjukkan prestasi voltan rendah yang menjanjikan dan ketumpatan tenaga yang tinggi.
- Kelakuan Pseudocapacitive: Anod MXene dalam AIB mempamerkan tingkah laku pseudocapacitive yang unik dengan NH4Ac, mencapai kapasiti tinggi dan kestabilan lebih 5000 kitaran, satu kemajuan yang ketara berbanding bahan lain.
- Penambahbaikan yang disokong oleh penyelidikan: Kajian seperti dari Sun et al. mengesahkan faedah menggunakan ammonium asetat, meningkatkan keselamatan dan keberkesanan keseluruhan AIB.
banyak seni bina bateri kini wujud sebagai jurutera dan saintis cuba berputar dari Bateri Li-ion untuk mencuba dan membawa sistem bateri baharu yang mempunyai ketumpatan tenaga yang tinggi, boleh mengecas lebih cepat, atau lebih mesra alam. Dalam tahun-tahun kebelakangan ini, banyak seni bina bateri baharu telah dikomersialkan selepas bertahun-tahun pembangunan akademik, dan bateri baharu yang lain mula mengambil tempat mereka dalam dunia akademik.
Salah satu daripada bateri ini ialah bateri ion ammonium (AIB), yang menggunakan elektrolit akueus, jadi lebih selamat dan kurang terdedah kepada pelarian haba. AIB mempunyai kos yang rendah, kestabilan yang wujud, sifat elektrokimia yang baik, dan mesra alam. Ini adalah bidang penyelidikan bateri yang lebih baharu berbanding dengan beberapa sistem yang lebih mantap, dan walaupun terdapat potensi untuk mencipta bateri yang lebih mesra alam, AIB telah ditahan oleh cabaran dalam reka bentuk anod.
Potensi Bateri Ammonium
AIB ialah bateri boleh dicas semula yang menggunakan ion ammonium (NH4+) sebagai pembawa cas. Berbanding dengan ion logam tradisional— Li+, Na+, K+, Zn2+ dan Mg2+—ion ammonium mempunyai ciri resapan cepat dalam elektrolit akueus (berasaskan air) kerana mempunyai jejari ionik yang lebih kecil dan jisim molar yang lebih ringan. Ion ammonium juga tidak mengalami pertumbuhan dendritik—yang selalunya bertanggungjawab untuk litar pintas bateri—tidak seperti kebanyakan bateri logam-ion, jadi terdapat potensi untuk mencipta bateri yang lebih selamat yang merosot dengan lebih perlahan. Elektrolit ion ammonium juga lebih mesra alam daripada pelarut organik yang digunakan dalam bateri ion logam dan jauh lebih murah juga. Salah satu elektrolit yang paling biasa ialah ammonium asetat (NH4Ac).
Untuk menggariskan lagi faedah alam sekitar dan keselamatan operasi AIB, kajian terkini, seperti yang dilakukan oleh Sun et al., menyerlahkan peranan elektrolit ammonium asetat (NH4Ac) dalam meningkatkan kestabilan dan kapasiti bateri ini. Tidak seperti elektrolit tradisional, NH4Ac membantu menghalang pembentukan dendrit, yang sering menjadi bahaya keselamatan utama dalam operasi bateri. Ciri ini bukan sahaja meningkatkan keselamatan tetapi juga memanjangkan kitaran hayat bateri dengan ketara, menjadikan AIB pilihan yang lebih mampan dalam jangka panjang.
Semua ciri ini menunjukkan bahawa terdapat banyak potensi untuk AIB, terutamanya kerana ciri-ciri ini sering dilihat sebagai kelebihan berbanding bateri ion logam—yang telah menjadi standard komersial hari ini. Banyak kerja telah dilakukan ke dalam reka bentuk katod AIB, dan kapasiti khusus yang tinggi kini boleh dicapai. Contoh katod termasuk bahan berasaskan nikel, berasaskan mangan dan berasaskan vanadium. Walau bagaimanapun, tidak banyak usaha telah dilakukan ke dalam reka bentuk anod, dan interaksi antara anod dan elektrolit adalah kawasan yang masih perlu dibangunkan lagi.
Perkembangan dalam Bahan Anod Baharu
Anod kini merupakan faktor pengehad untuk AIB, kerana tidak banyak bahan anod setakat ini yang mempunyai voltan kerja yang rendah. Pembangunan anod AIB telah dihadkan terutamanya kepada oksida/sulfida logam peralihan dan polimer organik. Ini bukan bahan yang sesuai kerana sebatian logam peralihan cenderung mempunyai kapasiti yang lemah, dan anod polimer mempunyai kadar pembubaran yang tinggi, yang membawa kepada kestabilan kitaran yang lemah. Ini telah menyebabkan banyak AIB yang dibangunkan sehingga kini tidak dapat dilaksanakan untuk aplikasi praktikal.
Walaupun menghadapi cabaran material, bahan baharu terus ditawarkan dan diuji. Satu kelas bahan yang telah disebut-sebut sebagai penyelesaian yang berpotensi ialah MXenes. MXenes ialah bahan 2D yang dicipta daripada bahan fasa MAX, yang mempunyai formula am Mn+1AXn. Dalam struktur kimia ini, M ialah logam peralihan awal, A ialah kumpulan 13 atau 14 unsur dan X ialah sama ada karbon atau nitrogen.
MXene mempunyai pelbagai sifat yang bermanfaat untuk elektrod. Sebagai contoh, mereka mempunyai kekonduksian elektrik yang sangat baik dan aktiviti permukaan yang tinggi, dan cara lapisan bertindan di atas satu sama lain adalah wajar untuk penyimpanan ion-terutamanya berbanding dengan jenis bahan nano yang lain. Jadi, MXenes dilihat sebagai manfaat yang berpotensi untuk AIB, dan banyak kerja teori sedang dilakukan untuk melihat sama ada ia berbaloi untuk diterokai lebih lanjut secara eksperimen.
Potensi MXenes sebagai bahan anod berkesan dalam Bateri Ion Ammonium disokong oleh pengiraan Teori Fungsian Ketumpatan (DFT) terperinci. Seperti yang digambarkan dalam Rajah 1 di bawah, pengiraan ini mendedahkan potensi kerja yang rendah dan tingkah laku pseudocapacitive tinggi bahan MXene, khususnya V2CTx, yang mencadangkan kesesuaiannya untuk aplikasi berprestasi tinggi dalam teknologi bateri.
a Perspektif sisi model struktur untuk V2CTx MXene digambarkan. Sfera berwarna kelabu, hitam dan oren mewakili penamatan V, C dan T, yang sepadan. b c Lengkung potensi elektrostatik purata satah untuk V2CO2 dan V2CF2 ditunjukkan masing-masing. d Lengkung potensi elektrostatik purata satah untuk 1T-MoS2 digambarkan. e Perkaitan antara fungsi kerja dan tetingkap potensi operasi bahan dua dimensi yang dikaji dalam penyelidikan ini ditunjukkan.
Dalam menyokong kesesuaian MXenes untuk aplikasi AIB, penyelidikan yang digariskan dalam Alam Komunikasi oleh Sun et al. membincangkan sifat pseudocapacitive V2CTx MXenes apabila digunakan dengan elektrolit NH4Ac. Bahan ini bukan sahaja menjanjikan potensi kerja yang lebih rendah tetapi juga menunjukkan kestabilan dan ketumpatan tenaga yang dipertingkatkan, penting untuk bateri berprestasi tinggi. Aktiviti permukaan tinggi yang wujud MXenes meningkatkan kecekapannya, dengan ketara memajukan fabrikasi anod dalam teknologi bateri yang mampan.
Pengiraan DFT Mencadangkan Elektrolit Berair Terbaik untuk Anod MXene
Teori fungsi ketumpatan (DFT) adalah teknik yang mantap dalam bidang teori dan kimia pengiraan dan sering digunakan untuk memodelkan dan menyiasat sifat sistem bahan yang berbeza untuk melihat sama ada ia boleh dilaksanakan untuk aplikasi tertentu (serta untuk menyimpulkan strukturnya). Pengiraan DFT telah menunjukkan bahawa MXene, V2CTx, mempunyai tetingkap potensi kerja yang paling rendah berbanding bahan berasaskan vanadium lain, jadi ia berpotensi untuk menjadi bahan anod yang menjanjikan untuk AIB.
Penyelidik kini telah melihat lebih jauh ke dalam anod MXene ini menggunakan gabungan pengiraan DFT dan kaedah pencirian bahan fizikal untuk melihat bagaimana ia berinteraksi dengan elektrolit akueus dan untuk menyiasat prestasi anod ini. Para penyelidik mendapati bahawa anod MXene ini mempamerkan tingkah laku pseudocapacitive untuk penyimpanan ion ammonium, dengan kapasiti khusus 115.9 mAh g-1 pada 1 A g-1 dan pengekalan kapasiti 100% selepas 5000 kitaran pada 5 A g-1.
Walaupun banyak elektrolit akueus diuji dengan anod MXene—termasuk (NH4)2SO4, NH4Cl, (NH4)2C2O4, dan NH4Me—satu-satunya elektrolit di mana anod MXene menunjukkan tingkah laku pseudocapacitive ini adalah dengan elektrolit ammonium asetat NH4Ac. Prestasi tingkah laku pseudocapacitive yang dipamerkan antara anod MXene dan elektrolit NH4Ac mengatasi semua elektrod jenis kapasitif dalam AIB setakat ini.
Untuk menyelidik sifat anod dan interaksinya dengan elektrolit, in situ Pengukuran keseimbangan mikro kristal kuarza elektrokimia (EQCM) telah diambil yang menunjukkan proses elektrokimia dua langkah yang menjana tingkah laku penyimpanan pseudocapacitive dalam elektrolit ammonium asetat.
Keputusan eksperimen telah disusuli dengan pengiraan dan simulasi DFT untuk lebih memahami proses elektrokimia ini. Bahagian pertama proses melibatkan penjerapan/pemendapan elektrostatik NH4+ pada permukaan MXene. Dalam langkah kedua proses, tindak balas redoks berlaku antara kumpulan d-V2CTx anod dan kumpulan [NH4+(HAc)3] elektrolit. Semasa proses redoks ini, ion NH4+ pusat bertindak sebagai pseudo-proton, yang memudahkan penggantian penamatan V2CTx. Ini kemudian mengubah keadaan valens ion vanadium dalam kompleks, menggalakkan pemindahan caj.
Penggunaan inovatif ammonium asetat dalam AIB berasaskan MXene bukan sahaja meningkatkan kestabilan elektrokimia tetapi juga meningkatkan kapasiti penyimpanan tenaga seperti yang diperincikan oleh Sun et al. Kejayaan ini dikaitkan dengan interaksi unik antara ion NH4+ dan elektrolit, yang memudahkan pengangkutan ion yang cekap dan kestabilan kitaran yang teguh, meletakkan asas untuk penyelesaian penyimpanan tenaga generasi akan datang.
Para penyelidik juga mengesahkan kesan peningkatan ion asetat dalam bateri ammonium-ion berasaskan MoS2 (bahan 2D lain dalam keluarga dichalcogenide logam peralihan). Keupayaan untuk digunakan dengan bahan yang berbeza bermakna elektrolit asetat boleh digunakan bersama bahan 2D yang berbeza untuk meningkatkan kapasiti AIB. Pendekatan ini juga berpotensi untuk memecahkan had kapasiti dalam kedua-dua Faradaic (redox) dan bukan Faradaic (interaksi elektrostatik sahaja) dan boleh menawarkan cara untuk meningkatkan AIB yang berbeza dan membawa kepada penciptaan bateri yang lebih mampan.
Kesan Alam Sekitar dan Pertimbangan Keselamatan Bateri Ion Ammonium
Peralihan ke arah Bateri Ion Ammonium (AIBs) bukan sahaja peningkatan teknikal berbanding sistem bateri tradisional tetapi juga langkah ke hadapan yang ketara dalam pemuliharaan alam sekitar. AIB menggunakan bahan yang kurang berbahaya dan melibatkan tindak balas kimia yang lebih selamat, yang mengurangkan risiko kemalangan dan mengurangkan pencemaran alam sekitar. Kajian seperti dari Sun et al. dalam Alam Komunikasi telah menunjukkan bahawa penggunaan elektrolit yang lebih selamat seperti ammonium asetat dapat mengurangkan risiko dengan ketara seperti pelarian haba dan larut lesap kimia, menjadikan AIB sebagai pilihan pilihan untuk penyimpanan tenaga mampan.
rujukan:
Sun Z. et al., Elektrolit asetat untuk kapasiti pseudocapacitive yang dipertingkatkan dalam bateri ion ammonium akueus, Nature Communications, 15, (2024), 1934.