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A High‐Rate and Ultrastable Ammonium Ion‐Air Battery Enabled by the Synergy of ORR and NH4+ Storage
Advanced Materials ( IF 27.4 ) Pub Date : 2025-03-19 , DOI: 10.1002/adma.202415476
Wei-Fan Wu 1, 2 , Jian-Min Pan 1, 2 , Han Wang 1, 2 , Jin-Ge Fan 1, 2 , Jun-Peng Yang 1 , Yu Liu 1 , Yi Zhan 1, 2 , Xingbin Yan 3
Advanced Materials ( IF 27.4 ) Pub Date : 2025-03-19 , DOI: 10.1002/adma.202415476
Wei-Fan Wu 1, 2 , Jian-Min Pan 1, 2 , Han Wang 1, 2 , Jin-Ge Fan 1, 2 , Jun-Peng Yang 1 , Yu Liu 1 , Yi Zhan 1, 2 , Xingbin Yan 3
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Ammonium ion batteries (AIBs) offer cost‐effectiveness, nontoxicity, and eco‐friendly attributes in energy storage technology. However, the constrained capacity and poor stability of conventional cathode materials have impeded their widespread adoption. Herein, a synergistic approach is introduced to overcome these challenges, by enhancing the air cathode with NH4 + and simultaneously leveraging atmospheric oxygen as a reservoir for NH4 + storage. Notably, NH4 + significantly enhances the oxygen reduction reaction (ORR) performance in neutral environments. Through in situ Raman spectroscopy and quantum density functional theory calculations, it is elucidated how NH4 + can act as a proton donor, replacing H2 O in neutral media and reducing energy barriers in the protonation of * O2 − and * O, thereby accelerating ORR kinetics. The resulting ammonium ion‐air battery, comprising an air cathode and a polymer (PNP) anode, showcases impressive metrics: high energy density of 78 Wh kg−1 and power density of 9369 W kg−1 at 1 A g−1 , an initial capacity of 94.3 mAh g−1 and exceptional cycling stability (70.4% capacity retention after 12 500 cycles) at 10 A g−1 . This pioneering research highlights the synergistic relationship between ORR and NH4 + storage and opens up new avenues for the design and advancement of innovative, sustainable, and environment‐friendly AIBs.
中文翻译：
由 ORR 和 NH4+ 存储协同实现的高倍率和超稳定铵离子空气电池
铵离子电池 （AIB） 在储能技术中具有成本效益、无毒和环保特性。然而，传统正极材料的容量受限和稳定性差阻碍了其广泛采用。本文引入了一种协同方法来克服这些挑战，通过用 NH4+ 增强空气阴极，同时利用大气中的氧气作为 NH4+ 储存的储库。值得注意的是，NH4+ 显着增强了中性环境中的氧还原反应 （ORR） 性能。通过原位拉曼光谱和量子密度泛函理论计算，阐明了 NH4+ 如何充当质子供体，取代中性介质中的 H2O，并减少 *O2− 和 *O 质子化中的能垒，从而加速 ORR 动力学。由此产生的铵离子空气电池由空气阴极和聚合物 （PNP） 阳极组成，展示了令人印象深刻的指标：78 Wh kg-1 的高能量密度和 9369 W kg-1 的功率密度（在 1 A g-1 时，初始容量为 94.3 mAh g-1）和 10 A g-1 下出色的循环稳定性（12 500 次循环后容量保持 70.4%）。这项开创性研究强调了 ORR 和 NH4+ 存储之间的协同关系，并为设计和推进创新、可持续和环保的 AIB 开辟了新的途径。
更新日期：2025-03-19
中文翻译：
由 ORR 和 NH4+ 存储协同实现的高倍率和超稳定铵离子空气电池
铵离子电池 （AIB） 在储能技术中具有成本效益、无毒和环保特性。然而，传统正极材料的容量受限和稳定性差阻碍了其广泛采用。本文引入了一种协同方法来克服这些挑战，通过用 NH4+ 增强空气阴极，同时利用大气中的氧气作为 NH4+ 储存的储库。值得注意的是，NH4+ 显着增强了中性环境中的氧还原反应 （ORR） 性能。通过原位拉曼光谱和量子密度泛函理论计算，阐明了 NH4+ 如何充当质子供体，取代中性介质中的 H2O，并减少 *O2− 和 *O 质子化中的能垒，从而加速 ORR 动力学。由此产生的铵离子空气电池由空气阴极和聚合物 （PNP） 阳极组成，展示了令人印象深刻的指标：78 Wh kg-1 的高能量密度和 9369 W kg-1 的功率密度（在 1 A g-1 时，初始容量为 94.3 mAh g-1）和 10 A g-1 下出色的循环稳定性（12 500 次循环后容量保持 70.4%）。这项开创性研究强调了 ORR 和 NH4+ 存储之间的协同关系，并为设计和推进创新、可持续和环保的 AIB 开辟了新的途径。
京公网安备 11010802027423号