Alloxazine như vật liệu anot cho pin amoni ion nước hiệu suất cao

Nano Research - Tập 15 - Trang 2047-2051 - 2021
Yuan Ma1, Tianjiang Sun1, Qingshun Nian2, Shibing Zheng1, Tao Ma1, Qiaoran Wang1, Haihui Du1, Zhanliang Tao1
1Key Laboratory of Advanced Energy Materials Chemistry (Ministry of Education), Renewable Energy Conversion and Storage Center, College of Chemistry, Nankai University, Tianjin, China
2Hefei National Laboratory for Physical Science at the Microscale, CAS Key Laboratory of Materials for Energy Conversion, Department of Materials Science and Engineering, University of Science and Technology of China, Hefei, China

Tóm tắt

Pin amoni ion nước (AAIB) đã thu hút nhiều sự chú ý nhờ vào chi phí thấp, độ an toàn và tính thân thiện với môi trường, nhưng các vật liệu điện cực của nó có nhiều hạn chế. Tại đây, alloxazine (ALO) được giới thiệu như là vật liệu anot cho AAIB. Với hiệu ứng giả tụ điện và động học khuếch tán nhanh của NH4+, anot ALO cho thấy hiệu suất tỉ lệ xuất sắc với dung lượng đặc trưng đạt 120 mAh/g ở 40 C (10 A/g). Pin hoàn chỉnh được chế tạo bằng cách sử dụng anot ALO và catot tương tự Prussian white. Dung lượng đặc trưng của pin có thể đạt tới 110 mAh/g và nó có thể hoạt động tới 10.000 chu kỳ mà không thấy hiện tượng giảm dung lượng rõ rệt ở 20 C (5 A/g). Ngoài ra, hệ thống này cung cấp mật độ năng lượng cao 122,5 Wh/kg và mật độ công suất 5.055 W/kg. Công trình này mở rộng triển vọng ứng dụng của AAIB.

Từ khóa

#pin amoni ion nước #alloxazine #vật liệu anot #hiệu suất cao #dung lượng đặc trưng #mật độ năng lượng #mật độ công suất

Tài liệu tham khảo

Kim, H.; Hong, J.; Park, K. Y.; Kim, H.; Kim, S. W.; Kang, K. Aqueous rechargeable Li and Na ion batteries. Chem. Rev. 2014, 114, 11788–11827. Wang, G. J.; Fu, L. J.; Zhao, N. H.; Yang, L. C.; Wu, Y. P.; Wu, H. Q. An aqueous rechargeable lithium battery with good cycling performance. Angew. Chem., Int. Ed. 2006, 46, 295–297. Tang, W.; Liu, L. L.; Zhu, Y. S.; Sun, H.; Wu, Y. P.; Zhu, K. An aqueous rechargeable lithium battery of excellent rate capability based on a nanocomposite of MoO3 coated with PPy and LiMn2O4. Energy Environ. Sci. 2012, 5, 6909–6913. Suo, L. M.; Borodin, O.; Sun, W.; Fan, X. L.; Yang, C. Y.; Wang, F.; Gao, T.; Ma, Z. H.; Schroeder, M.; Von Cresce, A. et al. Advanced high-voltage aqueous lithium-ion battery enabled by “water-in-bisalt” electrolyte. Angew. Chem., Int. Ed. 2016, 55, 7136–7141. Gao, H. C.; Goodenough, J. B. An aqueous symmetric sodium-ion battery with NASICON-structured Na3MnTi(PO4)3. Angew. Chem., Int. Ed. 2016, 55, 12768–12772. Suo, L. M.; Borodin, O.; Wang, Y. S.; Rong, X. H.; Sun, W.; Fan, X. L.; Xu, S. Y.; Schroeder, M. A.; Cresce, A. V.; Wang, F. et al. “Water-in-salt” electrolyte makes aqueous sodium-ion battery safe, green, and long-lasting. Adv. Energy Mater. 2017, 7, 1701189. Su, D. W.; McDonagh, A.; Qiao, S. Z.; Wang, G. X. High-capacity aqueous potassium-ion batteries for large-scale energy storage. Adv. Mater. 2017, 29, 1604007. Leonard, D. P.; Wei, Z. X.; Chen, G.; Du, F.; Ji, X. L. Water-in-salt electrolyte for potassium-ion batteries. ACS Energy Lett. 2018, 3, 373–374. Jiang, L. W.; Lu, Y. X.; Zhao, C. L.; Liu, L. L.; Zhang, J. N.; Zhang, Q. Q.; Shen, X.; Zhao, J. M.; Yu, X. Q.; Li, H. et al. Building aqueous K-ion batteries for energy storage. Nat. Energy 2019, 4, 495–503. Chen, L.; Bao, J. L.; Dong, X.; Truhlar, D. G.; Wang, Y.; Wang, C.; Xia, Y. Aqueous Mg-ion battery based on polyimide anode and Prussian blue cathode. ACS Energy Lett. 2017, 2, 1115–1121. Zhao, Q.; Zachman, M. J.; Al Sadat, W. I.; Zheng, J. X.; Kourkoutis, L. F.; Archer, L. Solid electrolyte interphases for high-energy aqueous aluminum electrochemical cells. Sci. Adv. 2018, 4, eaau8131. Zhang, N.; Cheng, F. Y.; Liu, J. X.; Wang, L. B.; Long, X. H.; Liu, X. S.; Li, F. J.; Chen, J. Rechargeable aqueous zinc-manganese dioxide batteries with high energy and power densities. Nat. Commun. 2017, 8, 405. Yan, M. Y.; He, P.; Chen, Y.; Wang, S. Y.; Wei, Q. L.; Zhao, K. N.; Xu, X.; An, Q. Y.; Shuang, Y.; Shao, Y. Y. et al. Water-lubricated intercalation in V2O5·nH2O for high-capacity and high-rate aqueous rechargeable zinc batteries. Adv. Mater. 2011, 30, 1703725. Ma, L. T.; Chen, S. M.; Long, C. B.; Li, X. L.; Zhao, Y. W.; Liu, Z. X.; Huang, Z. D.; Dong, B. B.; Zapien, J. A.; Zhi, C. Y. Achieving high-voltage and high-capacity aqueous rechargeable zinc ion battery by incorporating two-species redox reaction. Adv. Energy Mater. 2019, 9, 1902446. Jia, D. D.; Zheng, K.; Song, M.; Tan, H.; Zhang, A. T.; Wang, L. H.; Yue, L. J.; Li, D.; Li, C. W.; Liu, J. Q. VO2·0.2H2O nanocuboids anchored onto graphene sheets as the cathode material for ultrahigh capacity aqueous zinc ion batteries. Nano Res. 2020, 13, 215–224. Du, Y. H.; Wang, X. Y.; Sun, J. C. Tunable oxygen vacancy concentration in vanadium oxide as mass-produced cathode for aqueous zinc-ion batteries. Nano Res. 2021, 14, 754–761. Liang, G. J.; Mo, F. N.; Ji, X. L.; Zhi, C. Y. Non-metallic charge carriers for aqueous batteries. Nat. Rev. Mater. 2021, 6, 109–123. Wessells, C. D.; Peddada, S. V.; McDowell, M. T.; Huggins, R. A.; Cui, Y. The effect of insertion species on nanostructured open framework hexacyanoferrate battery electrodes. J. Electrochem. Soc. 2011, 159, A98–A103. Wu, X. Y.; Qi, Y. T.; Hong, J. J.; Li, Z. F.; Hernandez, A. S.; Ji, X. L. Rocking-chair ammonium-ion battery: A highly reversible aqueous energy storage system. Angew. Chem., Int. Ed. 2017, 56, 13026–13030. Wu, X. Y.; Xu, Y. K.; Jiang, H.; Wei, Z. X.; Hong, J. J.; Hernandez, A. S.; Du, F.; Ji, X. L. NH4+ topotactic insertion in Berlin green: An exceptionally long-cycling cathode in aqueous ammonium-ion batteries. ACS Appl. Energy Mater. 2011, 1, 3077–3083. Holoubek, J. J.; Jiang, H.; Leonard, D.; Qi, Y. T.; Bustamante, G. C.; Ji, X. L. Amorphous titanic acid electrode: Its electrochemical storage of ammonium in a new water-in-salt electrolyte. Chem. Commun. 2011, 54, 9805–9808. Dong, S. Y.; Shin, W.; Jiang, H.; Wu, X. Y.; Li, Z. F.; Holoubek, J.; Stickle, W. F.; Key, B.; Liu, C.; Lu, J. et al. Ultra-fast NH4+ storage: Strong H bonding between NH4+ and bi-layered V2O5. Chem 2019, 5, 1537–1551. Li, C. Y.; Yan, W. Q.; Liang, S. S.; Wang, P.; Wang, J.; Fu, L. J.; Zhu, Y. S.; Chen, Y. H.; Wu, Y. P.; Huang, W. Achieving a highperformance Prussian blue analogue cathode with an ultra-stable redox reaction for ammonium ion storage. Nanoscale Horiz. 2019, 4, 991–998. Li, H.; Yang, J.; Cheng, J. L.; He, T.; Wang, B. Flexible aqueous ammonium-ion full cell with high rate capability and long cycle life. Nano Energy 2020, 68, 104369. Liang, G. J.; Wang, Y. L.; Huang, Z. D.; Mo, F. N.; Li, X. L.; Yang, Q.; Wang, D. H.; Li, H. F.; Chen, S. M.; Zhi, C. Y. Initiating hexagonal MoO3 for superb-stable and fast NH4+ storage based on hydrogen bond chemistry. Adv. Mater. 2020, 32, 1907802. Song, Y.; Pan, Q.; Lv, H. Z.; Yang, D.; Qin, Z. M.; Zhang, M. Y.; Sun, X. Q.; Liu, X. X. Ammonium-ion storage using electrodeposited manganese oxides. Angew. Chem., Int. Ed. 2021, 60, 5718–5722. Singh, V.; Kim, S.; Kang, J.; Byon, H. R. Aqueous organic redox flow batteries. Nano Res. 2019, 12, 1988–2001. Schon, T. B.; McAllister, B. T.; Li, P. F.; Seferos, D. S. The rise of organic electrode materials for energy storage. Chem. Soc. Rev. 2016, 45, 6345–6404. Hong, J.; Lee, M.; Lee, B.; Seo, D. H.; Park, C. B.; Kang, K. Biologically inspired pteridine redox centres for rechargeable batteries. Nat. Commun. 2014, 5, 5335. Zhong, L. Q.; Lu, Y.; Li, H. X.; Tao, Z. L.; Chen, J. Highperformance aqueous sodium-ion batteries with hydrogel electrolyte and alloxazine/CMK-3 anode. ACS Sustainable Chem. Eng. 2011, 6, 7761–7768. Cheng, L. W.; Liang, Y. H.; Zhu, Q. N.; Yu, D. D.; Chen, M. X.; Liang, J. F.; Wang, H. Bio-inspired isoalloxazine redox moieties for rechargeable aqueous zinc-ion batteries. Chem. Asian J. 2020, 15, 1290–1295. Sun, T. J.; Liu, C.; Xu, X. F.; Nian, Q. S.; Zheng, S. B.; Hou, X. S.; Liang, J.; Tao, Z. L. Insights into the hydronium-ion storage of alloxazine in mild electrolyte. J. Mater. Chem. A 2020, 8, 21983–21987. Chen, S.; Foss, F. W. Jr. Aerobic organocatalytic oxidation of aryl aldehydes: Flavin catalyst turnover by Hantzsch’s ester. Org. Lett. 2012, 14, 5150–5153. Lindström, H.; Södergren, S.; Solbrand, A.; Rensmo, H.; Hjelm, J.; Hagfeldt, A.; Lindquist, S. E. Li+ ion insertion in TiO2 (anatase). 2. Voltammetry on nanoporous films. J. Phys. Chem. B 1997, 101, 7717–7722. Bard, A. J.; Faulkner, L. R. Electrochemical Methods: Fundamentals and Applications; 2nd ed. John Wiley & Sons, Inc.: New York, 2001. Liu, T. C.; Pell, W. G.; Conway, B. E.; Roberson, S. L. Behavior of molybdenum nitrides as materials for electrochemical capacitors: Comparison with ruthenium oxide. J. Electrochem. Soc. 1998, 145, 1882–1888.