詹怡副教授课题组新进展突破铵离子电池瓶颈：协同 ORR 与 NH₄⁺存储，实现超高倍率与超长寿命

随着 “双碳” 目标推进，低成本、环境友好的储能技术成为焦点。铵离子电池（AIBs）因资源丰富、安全性高被寄予厚望，但传统阴极材料存在容量低（<100 mAh g⁻¹）、循环稳定性差（<500 次）等问题，阻碍其商业化。近日，中山大学化工学院詹怡副教授课题组联合中山大学材料科学与工程学院阎兴斌教授团队在Advanced Materials（影响因子 32.086）发表研究论文《A High-Rate and Ultrastable Ammonium Ion-Air Battery Enabled by the Synergy of ORR and NH4+ Storage》，首次揭示氧还原反应（ORR）与铵离子存储的协同效应，成功开发出兼具高倍率性能与超长寿命的铵离子 - 空气电池（AIAB），为大规模储能提供新方案。

图1. 原位拉曼光谱与密度泛函理论计算

研究发现，NH₄⁺在中性电解液中可替代 H₂O 作为质子供体，显著降低 ORR 中间体质子化能垒（如*O₂⁻→*OOH 的能垒从 1.55 eV 降至 0.82 eV）。通过原位拉曼光谱与密度泛函理论（DFT）计算，证实 NH₄⁺通过 N-H 键解离提供质子，加速四电子 ORR 路径，使 Fe-N-C 催化剂的半波电位（E₁/₂）提升 151 mV，动力学电流密度（Jₖ）提高 48 倍（图1）。

图2. 聚萘四甲酸二酐 - 对苯二胺（PNP）有机阳极的电化学性能

开发的聚萘四甲酸二酐 - 对苯二胺（PNP）有机阳极，通过 “千层石” 结构实现快速 NH₄⁺传输。PNP 展现超高比容量（112 mAh g⁻¹ at 1 A g⁻¹）与倍率性能（89 mAh g⁻¹ at 15 A g⁻¹），伪电容贡献占比达 94%，确保高功率输出（图2）。

图3. 铵离子 - 空气电池（AIAB）的全电池性能

组装的 AIAB 在 10 A g⁻¹ 电流密度下实现初始容量 94.3 mAh g⁻¹，循环 12,500 次后容量保持 70.4%，平均库仑效率 99.57%。能量密度达 78 Wh kg⁻¹，功率密度高达 9,369 W kg⁻¹，远超传统 AIBs（图3）。

该研究通过详实的数据和深入的分析，首次从机理上阐明 NH₄⁺在中性环境中作为质子供体的微观机制，为设计高效 ORR 催化剂提供新思路；并利用ORR 与 NH₄⁺存储的协同机制，突破传统 AIBs 性能极限，为低成本、长寿命储能技术提供了范式，有望加速清洁能源的普及与应用。

论文第一作者为化工学院21级硕士生吴维凡，目前在澳大利亚阿德莱德大学郭再萍院士团队攻读博士学位。通讯作者为詹怡副教授和阎兴斌教授。该工作得到广东省基础与应用基础研究基金会（2023A1515010134，2022B1515120019）项目支持。特别感谢化工学院刘宇副教授为本研究提供的理论计算支持。

原文链接：https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202415476