水系可充電電池(ARB)具有成本低、固有安全性、環境友好性和優異的電化學性能等優點。在各種水系電池系統中，水系銨離子電池(AIBs)以其資源可承受性和極具競爭力的電化學性能等獨特優勢，在未來大規模智能電網應用的低成本儲能系統中顯示出巨大潛力，并受到了廣泛的研究。其獨特的電池化學機制也為電極和電池設計的探索帶來了新的見解和理解。然而，水系AIBs 的研究仍處于起步階段，AIBs 系統仍有許多科學問題值得探索。

近日，溫州大學侴術雷&金輝樂團隊及時詳細回顧了 AIBs 中電極材料、電解質和電池化學的最新進展。然后指出了進一步的挑戰和機遇。其成果以題為 "Research Development on Aqueous Ammonium-Ion Batteries" 在國際知名期刊 Adv. Funct. Mater. 上發表。溫州大學為第一單位，我校侴術雷、金輝樂教授為該論文共同通訊作者。

圖文要點

圖1.NH₄⁺與各種常見一價和多價陽離子的理化性質比較.

如圖1 所示，與其他金屬離子相比，作為電荷載流子的資源豐富的銨離子在物理化學性質方面表現出若干優勢。首先，NH₄⁺ 的摩爾質量僅為 18 g mol^?1，其與那些金屬離子相比是最輕的，甚至比 H₃O⁺ 還要輕。此外，雖然它的離子半徑很大，為 1.48 ?，但銨離子的水合離子尺寸最小，為 3.31 ?。因此，重量輕和水合離子尺寸小都有助于 NH₄⁺ 離子在水系電解質中快速擴散。此外，與質子或水合氫離子相比，相對適中的 NH₄⁺ 酸度有利于構建溫和的酸性或中性電解質環境，該環境的析氫副反應較少，腐蝕性較小。最后，同樣值得注意的是，NH₄⁺呈四面體形狀，具有很強的擇優取向性，與金屬離子的球形完全不同。在這種情況下，主體材料中的拓撲插層化學可能與球形金屬離子電荷載流子不同，因此NH₄⁺ 離子電池可能會帶來揭示獨特電化學性能和電池化學的機會。總體而言，研究水性 NH₄⁺ 離子電池的可行性并揭示其潛在的非凡電池拓撲結合化學是非常有意義的。

圖2. 水系銨離子電池“搖椅”式充放電工作原理示意圖.

圖3. 用于水系 AIB 的電極材料的電位和容量總結.

圖4. 普魯士藍為代表的正極材料.

如上所述，包括PBA、金屬氧化物和有機材料在內的各種材料已廣泛用作水系 AIB 的陰極。其中，具有剛性骨架結構的PBA具有合成簡單、成本低、擴散通道大到足以容納大尺寸NH₄⁺離子和水分子、循環壽命超過10 000次及以上等巨大優勢。以及顯著的倍率性能，是非常有前途的水系 AIB 正極材料。當然，針對不同的應用目的，其他類型的正極材料也值得關注。

圖5. 過渡金屬氧化物/硫化物為代表的負極.

迄今為止，關于水系AIBs 的各種正極和負極材料的電化學行為已經取得了成功和系統的討論。盡管幾種過渡金屬氧化物/硫化物和有機固體已成功用作銨離子存儲的陽極主體，并且也取得了相對較好的性能。與正極相比，負極材料的研究興趣和強度似乎要弱一些。可以看出，關于陽極的出版物數量還不到關于陰極的出版物數量的一半。對于電池而言，作為NH₄⁺ 離子的主體，陽極與陰極同樣重要。因此，其他類型的潛在負極材料也需要研究人員關注。

圖6. 水系銨離子電池研究中常規表征方法的示意圖.

電池在運行時，無論是充電還是放電，正極、電解質和負極這三個重要組成部分都直接參與了整個離子轉移過程。在電荷轉移過程中，正極和負極材料都會發生反復的氨化/脫氨過程，從而使它們在晶體結構、化學狀態和微觀形貌等方面發生一系列復雜而連續的變化。因此，深入研究和了解此類電池系統中的電化學-結構關系至關重要。

ADVANCED FUNCTIONAL MATERIALS為材料學科國際頂級期刊，影響因子為24.10。