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電網規模能源系統的高度動態性要求能量儲存和轉換系統具有快速動力學。可充水系電池是可再生能源電網的一種很有前景的儲能解決方案，因為除了高度安全和低成本之外，水系電解質中的離子擴散率比有機系統高出1-2個數量級。最近在這方面的研究集中在開發合適的電極材料，以用于水系電解質中的快速離子存儲。

武漢理工大學麥立強、王選鵬等綜述了水系電池材料、一維/二維/三維（1D/2D/3D）和超三維隧道材料在快速離子存儲領域的突破。目前，已經開發了具有不同隧道尺寸的各種材料以適應不同離子半徑的Li⁺、Na⁺、K⁺、H⁺、NH₄⁺和Zn2⁺，這些材料在離子存儲的反應動力學方面表現出顯著差異。

圖1 1D、2D、3D和超3D隧道的離子擴散示意圖

對于電荷載流子，Li⁺、Na⁺、K⁺、H⁺、NH₄⁺和Zn²⁺的離子半徑和電荷密度的變化使得每種離子都適合用作具有特定尺寸擴散通道的電極材料。此外，由于Stokes半徑較小且易于脫水，具有大通道的材料對K⁺的倍率性能明顯優于對Li⁺和Na⁺。

另外，H⁺和NH₄⁺離子通過氫鍵的斷裂和重整，在具有晶格H₂O分子的材料中實現了難以置信的快速擴散動力學。最后，共嵌入或晶格H₂O分子可促進Zn²⁺擴散，并通過降低有效電荷密度阻止Zn²⁺與主體之間的強相互作用。

圖2 開放式框架材料

對于隧道尺寸，1D隧道材料通常具有較長的擴散長度和較小的隧道尺寸，因此具有有限的快速離子存儲能力。2D隧道材料主要是層狀過渡金屬氧化物。隧道的調節被認為是提高反應動力學的有效策略。層狀材料中的柱狀離子/分子，如Li⁺、K⁺、Co²⁺、Zn²⁺和H₂O，有助于改變層間結構。

此外，3D隧道材料是單價離子和二價離子的多功能主體，因為它們的大隧道有助于快速離子傳輸。NASICON材料通常具有較大的晶體和有限的隧道尺寸，這表明Li⁺、Na⁺和Zn²⁺可以用作合適的電荷載流子。

最后，與嵌入/脫出機制相反，超3D隧道材料（如有機、水和無序材料）沒有長擴散隧道或經歷相變，快速反應動力學通常通過低能壘實現。

圖3 快速離子存儲的途徑

Fast Ionic Storage in Aqueous Rechargeable Batteries: From Fundamentals to Applications. Advanced Materials 2021. DOI: 10.1002/adma.202105611

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