无金属电池为更可持续和更经济的电网带来希望

KAUST 的研究人员表示，使用铵阳离子作为电荷载体的可充电电池可以为金属离子电池提供环保和可持续的替代品。

金属离子电池，例如锂离子电池，是首选的储能解决方案。由于其高能量密度和多功能性，它们在便携式消费电子产品和电动汽车市场占据主导地位。然而，电解质中使用的金属离子来自有限且不断减少的资源，这威胁到长期可用性。它们的毒性和易燃性可能不安全并且对环境有害。

已经多次尝试生成基于铵离子的电池来解决可持续性和环境问题，因为这些阳离子重量轻且易于合成和回收。然而，铵阳离子在低操作电位下容易还原成氢和氨，从而阻止电池发挥其全部潜力。它们也很容易溶解在电解质中，使它们难以掺入电极材料中。

Husam Alshareef、博士后 Zhiming Zhao 及其同事通过将含铵阳离子的电解质与碳基电极相结合，开发了一种高效无金属电池。赵说，石墨阴极和有机半导体阳极便宜、环保且可再生。

对于铵阳离子，研究人员选择六氟磷酸盐离子作为负电荷载体，并利用石墨的能力将这些阴离子可逆地容纳在其层内，从而制造出“双离子”电池。在电池中，阳离子和阴离子在充电循环期间同时插入相应的电极，并在放电循环期间释放到电解质中。

赵说，这将我们的工作与其他研究区分开来。

“我们通过筛选一系列耐高压的溶剂并考虑其还原稳定性，设计了一种既抗氧化又抗还原的电解质，”赵说。

抗氧化溶剂主要溶剂化参与阴极反应的阴离子，而其抗还原溶剂在参与阳极反应的阳离子周围形成溶剂化球。“这种配置对于电池稳定性至关重要，”赵解释道。

该电池的性能优于现有的基于铵离子的类似物，创纪录的工作电压为 2.75 伏。“现在有可能开发出可以与金属离子电池竞争的高能非金属离子电池，”赵说。

该团队目前正在努力提高性能以更接近大规模应用程序。“我们正在探索具有更高容量的阳极材料，这对于提高能量密度至关重要，”赵说。

Alshareef 的团队正在开发廉价的锂离子电池替代品，特别是用于电网规模的存储。“要最终使电网完全脱碳，电池成本必须大幅降低”，Alshareef 说。用非金属电荷载体(例如铵离子)代替锂有助于降低这些成本。