Ключевые вещи, которые нужно знать:
- Продвижение АИБ Технологии: Ионно-аммонийные батареи (AIB) представляют собой более безопасную и экологически чистую альтернативу традиционным батареям, в которых используется ацетат аммония (NH4Ac), который предотвращает рост дендритов и продлевает срок службы батареи.
- Инновационные анодные материалы: Недавние разработки в области анодных материалов, таких как MXenes, исследованные с помощью расчетов DFT, показывают многообещающие характеристики при низком напряжении и высокой плотности энергии.
- Псевдоемкостное поведение: MXene аноды в AIB демонстрируют уникальное псевдоемкостное поведение с NH4Ac, достигая высокой емкости и стабильности в течение 5000 циклов, что является значительным преимуществом по сравнению с другими материалами.
- Улучшения, подтвержденные исследованиями: Исследования, подобные исследованиям Sun et al. подтверждают преимущества использования ацетата аммония, повышающие общую безопасность и эффективность AIB.
Много архитектура батарей существуют сейчас, поскольку инженеры и ученые пытаются отойти от Литий-ионные аккумуляторы попытаться создать новые аккумуляторные системы, которые имеют высокую плотность энергии, могут заряжаться быстрее или более экологичны. В последние годы многие новые аккумуляторные батареи были коммерциализированы после многих лет академических разработок, и другие новые батареи начинают занимать свое место в академическом мире.
Одними из таких аккумуляторов являются ионно-аммонийные аккумуляторы (АИБ), в которых используются водные электролиты, поэтому они более безопасны и менее склонны к тепловому выходу из строя. АИБ имеют низкую стоимость, присущую им стабильность, хорошие электрохимические свойства и экологически безопасны. Это более новая область исследований аккумуляторов по сравнению с некоторыми из более известных систем, и, хотя существует потенциал для создания более экологически чистых батарей, AIB сдерживаются проблемами в конструкции анодов.
Потенциал аммониевых батарей
АИБ – это перезаряжаемые батарейки которые используют ионы аммония (NH4+) в качестве носителей заряда. По сравнению с традиционными ионами металлов — Li+, Na+, K+, Zn2+ и Mg2+ — ионы аммония обладают быстрыми диффузионными характеристиками в водных (водных) электролитах благодаря меньшему ионному радиусу и более легкой молярной массе. Ионы аммония также не подвергаются дендритному росту, который часто является причиной короткого замыкания батареи, в отличие от многих других ионов аммония. металл-ионные аккумуляторы, поэтому есть потенциал для создания более безопасных батарей, которые разлагаются медленнее. Электролиты с ионами аммония также более безопасны для окружающей среды, чем органические растворители, используемые в металл-ионных батареях, а также намного дешевле. Одним из наиболее распространенных электролитов является ацетат аммония (NH4Ac).
Чтобы еще больше подчеркнуть экологические преимущества и эксплуатационную безопасность аккумуляторов AIB, недавние исследования, например, проведенные Саном и др., подчеркивают роль электролитов из ацетата аммония (NH4Ac) в повышении стабильности и емкости этих батарей. В отличие от традиционных электролитов, NH4Ac помогает предотвратить образование дендритов, которые часто представляют собой серьезную угрозу безопасности при работе с батареями. Эта характеристика не только повышает безопасность, но и значительно продлевает срок службы батареи, что делает AIB более экологичным вариантом в долгосрочной перспективе.
Все эти характеристики показывают, что у AIB имеется большой потенциал, тем более что эти характеристики часто рассматриваются как преимущества перед металл-ионными батареями, которые сегодня стали коммерческим стандартом. Большая работа была проделана по конструкции катода АИП, и теперь можно достичь высоких удельных мощностей. Примеры катодов включают материалы на основе никеля, марганца и ванадия. Однако на разработку анода было потрачено не так много усилий, а взаимодействие между анодом и электролитом — это область, которая все еще нуждается в дальнейшем развитии.
Разработки в области новых анодных материалов
Анод в настоящее время является ограничивающим фактором для AIB, поскольку на сегодняшний день существует не так много анодных материалов с низким рабочим напряжением. Разработка анодов AIB в основном ограничивалась оксидами/сульфидами переходных металлов и органическими полимерами. Это не идеальные материалы, поскольку соединения переходных металлов имеют тенденцию иметь низкую емкость, а полимерный анод имеет высокую скорость растворения, что приводит к плохой циклической стабильности. Это сделало многие AIB, разработанные на сегодняшний день, непригодными для практического применения.
Несмотря на материальные проблемы, новые материалы продолжают предлагаться и испытываться. Одним из классов материалов, которые рекламировались как потенциальное решение, являются MXenes. MXenes — это 2D-материалы, созданные из материала фазы MAX, имеющей общую формулу Mn+1AXn. В этой химической структуре M представляет собой ранний переходный металл, A представляет собой элемент группы 13 или 14, а X представляет собой углерод или азот.
MXene обладают рядом свойств, полезных для электродов. Например, они обладают превосходной электропроводностью и высокой поверхностной активностью, а способ наложения слоев друг на друга желателен для хранения ионов, особенно по сравнению с другими типами наноматериалов. Таким образом, MXenes рассматриваются как потенциальное преимущество для AIB, и в настоящее время проводится много теоретических работ, чтобы выяснить, стоит ли их дополнительно исследовать экспериментально.
Потенциал MXenes в качестве эффективных анодных материалов в аммоний-ионных батареях подтверждается подробными расчетами теории функционала плотности (DFT). Как показано на рисунке 1 ниже, эти расчеты показывают низкий рабочий потенциал и высокое псевдоемкостное поведение материалов MXene, в частности V2CTx, что предполагает их пригодность для высокопроизводительных применений в аккумуляторных технологиях.
a Изображена боковая перспектива структурной модели V2CTx MXene. Сферы, окрашенные в серый, черный и оранжевый цвета, представляют собой окончания V, C и T соответственно. до н.э Показаны усредненные по плоскости кривые электростатического потенциала для V2CO2 и V2CF2 соответственно. d Показана усредненная по плоскости кривая электростатического потенциала 1T-MoS2. e Показана корреляция между работой выхода и окном эксплуатационного потенциала двумерных материалов, изученных в данном исследовании.
Подтверждая пригодность MXenes для приложений AIB, исследования, изложенные в Природа связи Сан и др. обсуждаются псевдоемкостные свойства V2CTx MXenes при использовании с электролитами NH4Ac. Эти материалы не только обещают более низкий рабочий потенциал, но также демонстрируют повышенную стабильность и плотность энергии, что имеет решающее значение для высокопроизводительных батарей. Присущая MXenes высокая поверхностная активность повышает их эффективность, значительно продвигая производство анодов в технологиях экологически чистых аккумуляторов.
Расчеты DFT предлагают лучший водный электролит для анодов MXene
Теория функционала плотности (ТПФ) — хорошо зарекомендовавший себя метод в области теоретической и вычислительная химия и часто используется для моделирования и исследования свойств различных материальных систем, чтобы увидеть, подходят ли они для конкретного применения (а также для определения их структуры). Расчеты DFT показали, что MXene, V2CTx, имеет самый низкий диапазон рабочего потенциала по сравнению с другими материалами на основе ванадия, поэтому он потенциально может стать многообещающим анодным материалом для AIB.
Теперь исследователи изучили этот анод из MXene, используя комбинацию расчетов DFT и методов определения физических характеристик материала, чтобы увидеть, как он взаимодействует с водным электролитом, и выяснить, как могут выглядеть характеристики этих анодов. Исследователи обнаружили, что этот анод из MXene демонстрирует псевдоемкостное поведение при хранении ионов аммония с удельной емкостью 115.9 мАч г-1 при 1 А г-1 и сохранением емкости на 100% после 5000 циклов при 5 А г-1.
Несмотря на то, что с анодом MXene испытывались многие водные электролиты, в том числе (NH4)2SO4, NH4Cl, (NH4)2C2O4 и NH4Me, единственным электролитом, в котором анод MXene демонстрировал такое псевдоемкостное поведение, был электролит из ацетата аммония NH4Ac. Характеристики псевдоемкостного поведения между анодом MXene и электролитом NH4Ac превосходят все электроды емкостного типа в AIB на сегодняшний день.
Для исследования свойств анода и его взаимодействия с электролитом на месте Были проведены измерения электрохимического кварцевого микровеса (EQCM), которые показали двухэтапный электрохимический процесс, который генерирует псевдоемкостное поведение хранения в электролите из ацетата аммония.
Результаты экспериментов были дополнены расчетами и моделированием методом DFT, чтобы лучше понять этот электрохимический процесс. Первая часть процесса включала электростатическую адсорбцию/осаждение NH4+ на поверхность MXene. На второй стадии процесса происходит окислительно-восстановительная реакция между группами d-V2CTx анода и группами [NH4+(HAc)3] электролита. Во время этого окислительно-восстановительного процесса центральный ион NH4+ действует как псевдопротон, что облегчает чередование окончаний V2CTx. Затем это изменяет валентное состояние ионов ванадия в комплексе, способствуя переносу заряда.
Инновационное использование ацетата аммония в AIB на основе MXene не только улучшает электрохимическую стабильность, но также увеличивает емкость хранения энергии, как подробно описано Sun et al. Этот прорыв объясняется уникальным взаимодействием между ионами NH4+ и электролитом, которое способствует эффективному транспорту ионов и надежной стабильности цикла, закладывая основу для решений по хранению энергии следующего поколения.
Исследователи также подтвердили эффект усиления ионов ацетата в аммонийно-ионной батарее на основе MoS2 (еще один двумерный материал из семейства дихалькогенидов переходных металлов). Возможность использования с различными материалами означает, что ацетатный электролит можно использовать вместе с различными 2D-материалами для улучшения емкости AIB. Этот подход также потенциально может преодолеть ограничения емкости как фарадеевских (окислительно-восстановительных), так и нефарадеевских (только электростатических взаимодействий), а также может предложить способ улучшить различные AIB и привести к созданию более устойчивых батарей.
Влияние ионно-аммонийных батарей на окружающую среду и вопросы безопасности
Переход на аммоний-ионные батареи (АИБ) — это не только техническое усовершенствование по сравнению с традиционными аккумуляторными системами, но и значительный шаг вперед в сохранении окружающей среды. В AIB используются менее опасные материалы и проводятся более безопасные химические реакции, что снижает риск несчастных случаев и уменьшает загрязнение окружающей среды. Исследования, подобные исследованиям Sun et al. в Природа связи показали, что использование более безопасных электролитов, таких как ацетат аммония, значительно снижает такие риски, как термический выход из-под контроля и химическое выщелачивание, что делает AIB предпочтительным выбором для устойчивого хранения энергии.
Ссылка:
Сан З. и др., Ацетатный электролит для повышения псевдоемкостной емкости в водных ионно-аммонийных батареях, Nature Communications, 15, (2024), 1934.