Belangrijke dingen om te weten:
- Oprukkende AIB Technologie: Ammoniumionbatterijen (AIB's) bieden een veiliger, milieuvriendelijker alternatief voor traditionele batterijen, waarbij gebruik wordt gemaakt van ammoniumacetaat (NH4Ac) dat dendritische groei voorkomt en de levensduur van de batterij verlengt.
- Innovatieve anodematerialen: Recente ontwikkelingen in anodematerialen zoals MXenes, onderzocht door middel van DFT-berekeningen, laten veelbelovende prestaties bij lage spanning en hoge energiedichtheid zien.
- Pseudocapacitief gedrag: MXene-anodes in AIB's vertonen uniek pseudocapacitief gedrag met NH4Ac, waardoor een hoge capaciteit en stabiliteit wordt bereikt over 5000 cycli, een aanzienlijke vooruitgang ten opzichte van andere materialen.
- Door onderzoek ondersteunde verbeteringen: Studies zoals die van Sun et al. bevestigen de voordelen van het gebruik van ammoniumacetaat, waardoor de algehele veiligheid en effectiviteit van AIB's wordt verbeterd.
Veel batterij architecturen bestaan nu waar ingenieurs en wetenschappers van proberen te veranderen Li-ion-batterijen om te proberen nieuwe batterijsystemen te introduceren die een hoge energiedichtheid hebben, sneller kunnen opladen of milieuvriendelijker zijn. De afgelopen jaren zijn na jaren van academische ontwikkeling veel nieuwe batterij-architecturen op de markt gebracht, en andere nieuwe batterijen beginnen hun plaats in de academische wereld in te nemen.
Een van deze batterijen zijn ammoniumionbatterijen (AIB's), die waterige elektrolyten gebruiken, dus veiliger zijn en minder gevoelig voor thermische overstroming. AIB's hebben lage kosten, inherente stabiliteit, goede elektrochemische eigenschappen en zijn milieuvriendelijk. Dit is een nieuwer gebied van batterijonderzoek vergeleken met sommige van de meer gevestigde systemen, en hoewel er potentieel is voor het maken van milieuvriendelijkere batterijen, worden AIB's tegengehouden door uitdagingen in het anodeontwerp.
Het potentieel van ammoniumbatterijen
AIB's zijn dat wel oplaadbare batterijen die ammoniumionen (NH4+) als ladingsdragers gebruiken. Vergeleken met traditionele metaalionen – Li+, Na+, K+, Zn2+ en Mg2+ – hebben ammoniumionen snelle diffusie-eigenschappen in waterige (op water gebaseerde) elektrolyten, omdat ze een kleinere ionenstraal en een lichtere molaire massa hebben. Ammoniumionen ondergaan ook geen dendritische groei – wat vaak verantwoordelijk is voor kortsluiting in de batterij – in tegenstelling tot veel andere ionen. metaal-ion batterijenEr bestaat dus het potentieel om veiligere batterijen te maken die langzamer verslechteren. Ammoniumionelektrolyten zijn ook milieuvriendelijker dan de organische oplosmiddelen die in metaalionbatterijen worden gebruikt en zijn ook veel goedkoper. Een van de meest voorkomende elektrolyten is ammoniumacetaat (NH4Ac).
Om de milieuvoordelen en operationele veiligheid van AIB's verder te onderstrepen, benadrukken recente onderzoeken, zoals die van Sun et al., de rol van ammoniumacetaat (NH4Ac) elektrolyten bij het verbeteren van de stabiliteit en capaciteit van deze batterijen. In tegenstelling tot traditionele elektrolyten helpt NH4Ac de vorming van dendrieten te voorkomen, die vaak een groot veiligheidsrisico vormen bij batterijgebruik. Deze eigenschap verbetert niet alleen de veiligheid, maar verlengt ook de levensduur van de batterij aanzienlijk, waardoor AIB's op de lange termijn een duurzamere optie worden.
Al deze kenmerken laten zien dat er veel potentieel is voor AIB's, vooral omdat deze kenmerken vaak worden gezien als voordelen ten opzichte van metaalionbatterijen, die tegenwoordig de commerciële standaard zijn geworden. Er is veel werk gestoken in het kathodeontwerp van AIB's, en nu kunnen hoge specifieke capaciteiten worden bereikt. Kathodevoorbeelden omvatten op nikkel gebaseerde, mangaangebaseerde en vanadiumgebaseerde materialen. Er is echter niet zoveel moeite gestoken in het anodeontwerp, en de wisselwerking tussen de anode en de elektrolyt is een gebied dat nog verder moet worden ontwikkeld.
Ontwikkelingen in nieuwe anodematerialen
De anode is momenteel de beperkende factor voor AIB's, omdat er tot nu toe niet veel anodematerialen zijn met een lage werkspanning. De ontwikkeling van AIB-anodes is voornamelijk beperkt gebleven tot overgangsmetaaloxide/sulfiden en organische polymeren. Dit zijn geen ideale materialen omdat de overgangsmetaalverbindingen de neiging hebben slechte capaciteiten te hebben, en de polymeeranode een hoge oplossnelheid heeft, wat leidt tot een slechte cyclusstabiliteit. Dit heeft ertoe geleid dat veel tot nu toe ontwikkelde AIB's onhaalbaar zijn geworden voor praktische toepassingen.
Ondanks de materiële uitdagingen worden er nog steeds nieuwe materialen aangeboden en uitgeprobeerd. Eén klasse materialen die als mogelijke oplossing wordt aangeprezen, is dat wel MXenen. MXenen zijn 2D-materialen die zijn gemaakt van een MAX-fasemateriaal, dat de algemene formule Mn+1AXn heeft. In deze chemische structuur is M een vroeg overgangsmetaal, A is een element uit groep 13 of 14 en X is koolstof of stikstof.
MXene's hebben een reeks eigenschappen die gunstig zijn voor elektroden. Ze hebben bijvoorbeeld een uitstekende elektrische geleidbaarheid en een hoge oppervlakteactiviteit, en de manier waarop de lagen op elkaar worden gestapeld is wenselijk voor ionenopslag, vooral in vergelijking met andere soorten nanomaterialen. MXenen worden dus gezien als een potentieel voordeel voor AIB's, en er wordt momenteel veel theoretisch werk gedaan om te zien of ze de moeite waard zijn om verder experimenteel te onderzoeken.
Het potentieel van MXenen als effectieve anodematerialen in ammoniumionbatterijen wordt ondersteund door gedetailleerde Density Functional Theory (DFT)-berekeningen. Zoals geïllustreerd in figuur 1 hieronder onthullen deze berekeningen het lage werkpotentieel en het hoge pseudocapacitieve gedrag van MXene-materialen, met name V2CTx, wat hun geschiktheid suggereert voor hoogwaardige toepassingen in de batterijtechnologie.
a Het laterale perspectief van het structurele model voor V2CTx MXene is afgebeeld. De bollen gekleurd in grijs, zwart en oranje vertegenwoordigen dienovereenkomstig V-, C- en T-uiteinden. b c De vlakgemiddelde elektrostatische potentiaalcurven voor V2CO2 en V2CF2 worden respectievelijk weergegeven. d De vlakgemiddelde elektrostatische potentiaalcurve voor 1T-MoS2 wordt geïllustreerd. e De correlatie tussen de werkfunctie en het operationele potentiële venster van de tweedimensionale materialen die in dit onderzoek worden bestudeerd, wordt aangetoond.
Bij het bevestigen van de geschiktheid van MXenes voor AIB-toepassingen is onderzoek beschreven in Nature Communications door Zon et al. bespreekt de pseudocapacitieve eigenschappen van V2CTx MXenen bij gebruik met NH4Ac-elektrolyten. Deze materialen beloven niet alleen een lager werkpotentieel, maar demonstreren ook een verbeterde stabiliteit en energiedichtheid, cruciaal voor krachtige batterijen. De inherente hoge oppervlakteactiviteit van MXenes verbetert hun efficiëntie, waardoor de anodefabricage in duurzame batterijtechnologieën aanzienlijk wordt bevorderd.
DFT-berekeningen suggereren de beste waterige elektrolyt voor MXene-anodes
Dichtheidsfunctionaaltheorie (DFT) is een gevestigde techniek op het gebied van theoretische en computationele chemie en wordt vaak gebruikt om de eigenschappen van verschillende materiaalsystemen te modelleren en te onderzoeken om te zien of ze haalbaar zijn voor een bepaalde toepassing (en om hun structuur af te leiden). DFT-berekeningen hebben aangetoond dat MXene, V2CTx, het laagste werkpotentieelvenster heeft vergeleken met andere op vanadium gebaseerde materialen, en dus het potentieel heeft om een veelbelovend anodemateriaal voor AIB's te zijn.
Onderzoekers hebben deze MXene-anode nu verder onderzocht met behulp van een combinatie van DFT-berekeningen en fysieke materiaalkarakteriseringsmethoden om te zien hoe deze samenwerkt met de waterige elektrolyt en om te onderzoeken hoe de prestaties van deze anodes eruit zouden kunnen zien. De onderzoekers ontdekten dat deze MXene-anode een pseudocapacitief gedrag vertoont voor de opslag van ammoniumionen, met een specifieke capaciteit van 115.9 mAh g-1 bij 1 A g-1 en een capaciteitsbehoud van 100% na 5000 cycli bij 5 A g-1.
Ondanks dat er veel waterige elektrolyten zijn uitgeprobeerd met de MXene-anode, waaronder (NH4) 2SO4, NH4Cl, (NH4) 2C2O4 en NH4Me, was de enige elektrolyt waarbij de MXene-anode dit pseudocapacitieve gedrag vertoonde, de NH4Ac-ammoniumacetaat-elektrolyt. De pseudocapacitieve gedragsprestaties die worden getoond tussen de MXene-anode en de NH4Ac-elektrolyt overtreffen tot nu toe alle capacitieve elektroden in AIB's.
Om de eigenschappen van de anode en zijn interactie met de elektrolyt te onderzoeken, in situ Er werden elektrochemische metingen van de kwartskristalmicrobalans (EQCM) uitgevoerd, waaruit een tweestaps elektrochemisch proces bleek dat het pseudocapacitieve opslaggedrag in de ammoniumacetaatelektrolyt genereert.
De experimentele resultaten werden gevolgd door DFT-berekeningen en simulaties om dit elektrochemische proces beter te begrijpen. Het eerste deel van het proces omvatte de elektrostatische adsorptie/afzetting van NH4+ op het MXene-oppervlak. In de tweede stap van het proces vindt een redoxreactie plaats tussen de d-V2CTx-groepen van de anode en de [NH4+(HAc)3]-groepen van de elektrolyt. Tijdens dit redoxproces fungeert het centrale NH4+-ion als een pseudo-proton, wat de afwisseling van V2CTx-terminaties vergemakkelijkt. Dit verandert vervolgens de valentietoestand van de vanadiumionen in het complex, waardoor de ladingsoverdracht wordt bevorderd.
Het innovatieve gebruik van ammoniumacetaat in op MXeen gebaseerde AIB's verbetert niet alleen de elektrochemische stabiliteit, maar vergroot ook de energieopslagcapaciteit, zoals beschreven door Sun et al. Deze doorbraak wordt toegeschreven aan de unieke interactie tussen de NH4+-ionen en de elektrolyt, die efficiënt ionentransport en robuuste cyclusstabiliteit mogelijk maakt, waardoor de basis wordt gelegd voor de volgende generatie energieopslagoplossingen.
De onderzoekers bevestigden ook het versterkende effect van acetaationen in een op MoS2 gebaseerde (een ander 2D-materiaal in de overgangsmetaaldichalcogenidefamilie) ammoniumionbatterij. De mogelijkheid om met verschillende materialen te worden gebruikt betekent dat de acetaatelektrolyt naast verschillende 2D-materialen kan worden gebruikt om de capaciteit van AIB's te verbeteren. Deze aanpak heeft ook het potentieel om de capaciteitsbeperkingen in zowel Faradaic (redox) als niet-Faradaic (alleen elektrostatische interacties) te doorbreken en zou een manier kunnen bieden om verschillende AIB's te verbeteren en te leiden tot de creatie van duurzamere batterijen.
Milieu-impact en veiligheidsoverwegingen van ammoniumionbatterijen
De verschuiving naar ammoniumionbatterijen (AIB's) is niet alleen een technische verbetering ten opzichte van traditionele batterijsystemen, maar ook een belangrijke stap voorwaarts op het gebied van milieubehoud. AIB's gebruiken minder gevaarlijke materialen en zorgen voor veiligere chemische reacties, waardoor het risico op ongelukken wordt verminderd en de milieuvervuiling afneemt. Studies zoals die van Sun et al. in Nature Communications hebben aangetoond dat het gebruik van veiligere elektrolyten zoals ammoniumacetaat de risico's zoals thermische overstroming en chemische uitloging aanzienlijk verkleint, waardoor AIB's de voorkeur verdienen voor duurzame energieopslag.
Referentie:
Sun Z. et al., Een acetaatelektrolyt voor verbeterde pseudocapacitieve capaciteit in waterige ammoniumionbatterijen, Nature Communications, 15, (2024), 1934.