研究布景

考虑到天气变革引发的日常极端气候情况，开发可再生能源的重要性是毋庸置疑的。锂离子电池(LIBs)在过去几十年开展敏捷，实现了相对较高的能量密度和长周期性能。然而，有机电解量价格过高、存在平安隐患、锂资本稀缺等限造了锂离子电池的开展。水系可充电池因其平安性、可持续性和情况友好性，在大规模能源系统中显示出庞大的潜力。到目前为行，大大都水系电池接纳金属离子做为载流子，如Li+，Na+，K+，Al3+，Zn2+，Mg2+。近年来，非金属铵离子(NH4+)因为其储量丰硕、水合离子半径小(3.31 Å)和低摩尔量量(18 g mol-1)而被研究做为水系离子电池的载流子。与酸性电解量比拟，NH4+水溶液的侵蚀性较小，析氢反响(HER)的电位较低。此外，NH4+与金属离子差别，具有优先的四面体构造。主电极质料中NH4+离子的插层化学与传统金属离子载体的插层化学差别。近年来，Ti3C2 MXene、铜铁酸铜、普鲁士白铵、V2O5、和NH4V4O10被研究做为水系氨离子电池(AAIBs)的电极质料。然而，对AAIBs的研究大多集中在无机质料上，有机质料很少被研究。

文章摘要

水系氨离子电池做为一种有效的能源战略遭到了普遍的存眷，但目前尚缺乏适宜的负极质料。为此，哈尔滨工程大学曹殿学传授团队合成了一种具有多层纳米片构造的合成高分子质料(PNNI)做为AAIBs的阳极。PNNI含有羰基官能团，可在铵离子水溶液中可逆氧化复原，在1 M NH4Ac电解量中，在100 mA g-1下的库仑效率为93.8%。在高电流密度下，PNNI仍表示出轮回性能，寿命耽误。在5 A g-1下，容量连结率为80.2%，超越10000次轮回。以(NH4)2Ni[Fe(CN)6] (Ni-APW)为阴极，PNNI为阳极，在1 A g-1下轮回10000次后容量连结在100%摆布。该合成聚合物电极质料在铵离子电池放电/充电轮回过程中连结其特殊的框架构造。

该研究功效以“A Long Cycle Stability and High Rate PErformance Organic Anode for Rechargeable Aqueous Ammonium-Ion Battery”为题颁发在国际顶级期刊ACS Energy Letters上，通信做者为哈尔滨工程大学曹殿学传授。

图文速递

图1

哈工程曹殿学教授:用于可充电氨离子水系电池的有机阳极 第1张

(a)NTCDA, 1,5-NDA和PNNI的FTIR光谱；PNNI的(b)1H MAS NMR和(c)13C CP MAS NMR；(d-f)PNNI的SEM；(g-i)PNNI的TEM和映射。

图2

哈工程曹殿学教授:用于可充电氨离子水系电池的有机阳极 第2张

在(a)1 M NH4Ac、(b)0.5 M (NH4)2SO4和(c)1 M NH4Cl中，-0.90 ~ 0.20 V时PNNI阳极的CV曲线和GCD曲线；(d)三种电解量的轮回性能；(e和f)PNNI阳极在三种电解量中的速度性能和轮回性能。

图3

哈工程曹殿学教授:用于可充电氨离子水系电池的有机阳极 第3张

(a-c)在1 M NH4Ac、0.5 M (NH4)2SO4和1 M NH4Cl中在差别扫描速度下PNNI的CV曲线；(d-f)在1.0 mV s-1下的k1值；(g)在三种电解量中在0.2 mV s-1时的CV曲线；(h-i)PNNI电极在差别电解量中的电容奉献和b值。

图4

哈工程曹殿学教授:用于可充电氨离子水系电池的有机阳极 第4张

(a)PNNI、Ni-APW和PNNI||Ni-APW在1.0 mV s-1时的CV曲线；(b)电流密度为0.1 A g-1时PNNI、Ni-APW和PNNI||Ni-APW的GCD曲线；(c)PNNI||Ni-APW的速度性能；(d)Ragone图；(e)PNNI||Ni-APW在1 M NH4Cl电解量中在1 A g-1下的轮回性能。

图5

哈工程曹殿学教授:用于可充电氨离子水系电池的有机阳极 第5张

(a)PNNI在差别电位下对应SOC点的异位FT-IR光谱和异位XPS；PNNI (b)C 1s、(c)N 1s的异位XPS谱；(d)PNNI的异位FT-IR光谱；(e)PNNI的可能示企图。

研究结论

总之，本文合成了一种全新的聚合物做为AAIBs的负极质料。组拆的三电极电池系统在100 mA g-1时的比容量为147.7 mAh g-1。更重要的是，在2和5 A g-1的特高电流密度下，2000次和10000次轮回的容量保留率别离为90.7%和80.2%，表示出较好的持久轮回性能。组拆的PNNI||Ni-APW全电池在1 A g-1下轮回10000次后，容量连结率不变，接近100%。此外，FT-IR和XPS成果证明了其可逆性和不变性。因而，PNNI做为具有持久轮回性能的AAIBs阳极，促进了AAIBs的开展。

文献链接

A Long Cycle Stability and High Rate Performance Organic Anode for Rechargeable Aqueous Ammonium-Ion Battery

Shengnan Zhang，Kai Zhu，Yinyi Gao，Dianxue Cao*

https://doi.org/10.1021/acsenergylett.2c01962

“水系能源”在微信公家号、知乎同步更新，欢送列位教师&同窗存眷、转发、保藏~