支春义&纪秀磊重磅综述谈水系电池新方向：非金属离子作为载流子！
【研究背景】
载流子是电池的决定性组分。现阶段绝大部分的水系电池载流子为金属离子，比如锂、钠、钾、锌、镁、铝离子等。通常，当研究者们设计电池时，只是去关注基于金属载流子的电池构型。而作为金属离子的对立面，非金属离子（比如氢、铵根、卤素离子、有机基团等），却往往被忽略了其在电池中作为载流子的可能性。很有意思的是，在近十年对水系电池的研究中，逐渐发现上述非金属载流子，是可以作为水系电池的载流子，并且可以实现超快动力学，超长的循环寿命和超低的制造成本。非金属载流子基电池，在性能上与金属载流子基电池媲美的突出表现，为高性能水系电池的设计提供了更多选择。
研究载流子与电极材料的相互作用，是提高电池性能的基础。非金属离子的作用，可以分为两类：既可以作为穿梭型载流子，可逆地嵌入电极框架中，并建立共价离子键，还可以用作得失电子的可逆氧化还原中心。考虑到非金属载流子种类繁多，比如正负离子，单原子/多原子离子基团等，对应的电极材料的跨度大，反应机理多样化，指导性的总结是很有必要的。因此，香港城市大学支春义教授联合俄勒冈州立大学纪秀磊教授报道了非金属载流子在水系电池中的研究进展，重点介绍了其物理化学性质，电荷存储机制，和电极的相互作用，以及电池性能。该工作旨在加深对载流子/电极材料在微观层面相互作用的理解，并为进一步的非金属载流子电池的设计策略，材料选择，实际应用等提供新的思路观点。
【文章简介】
该报道首先介绍了非金属载流子的物理化学性质，电荷存储机制和电池构型。非金属载流子的正负电荷数，离子/水合半径等参数，决定着其电化学性能。例如，带正电荷的非金属载流子，是以去溶剂化态的形式嵌入进电极材料的。从电化学层面讲，根据载流子与电极材料的选取，对应着5种不同的电荷储存机理：1）电池型的嵌入/脱出；2）液气异相转换反应；3）液固异相转换反应；4）表面氧化还原反应；5）嵌入型赝电容。此外，基于在充放电过程中，载流子的移动方向的不同，对应着4种不同的电池构型：1）阳离子摇椅式；2）阴离子摇椅式；3）双离子型；4）反双离子型。
从材料层面讲，根据载流子与电极材料的相互作用，可以分为三类，其中金属载流子跟电极材料的相互作用为离子键和，没有电荷的相互转移；阳离子，阴离子非金属载流子，在嵌入到晶体结构后，会跟对应的材料结构原子形成共价–离子键合，伴随着载流子-电极之间的电荷转移；还有就是Grotthuss 作用机理，比如氢离子在电极结合水网络中通过氢键传导。
具体地讲，非金属阳离子载流子与不同的电极材料相互作用，遵循统一的原则，即非金属阳离子与电极材料里的给电子基团结合。具体的作用方式，根据电极材料的不同而定。比如代表性的非金属阳离子--氢离子，在有机电极的充放电过程中，会跟其结构氧原子相互作用；而在跟金属氧化物电极的相互作用也是基于电极的结构氧原子。对于多原子非金属阳离子而言，在与电极相互作用的过程，也是通过载流子的带正电荷的原子，跟电极材料里的带负电原子（基团）相互作用。最后，氢离子参与的液气异相转化反应，是氢离子在催化剂电极上，发生电子的得失。
对非金属阴离子载流子而言，其与不同的电极材料相互作用，也遵循统一的原则，即非金属阴离子与电极材料里的吸电子基团结合。与上述非金属阳离子/电极材料的相互作用方式正好相反。其中，代表性的例子是，氢氧根跟氧化物电极材料的相互作用。在碱性电解液环境下，电极中的电荷存储机理是，电极液中的氢氧根先在电极表面裂解成氢原子与氧原子，随后氧原子嵌入电极材料中，占据电极材料的氧空位，完成离子电荷存储。而嵌入的氧原子跟电极材料的金属原子结合。同理，卤素离子/多原子负离子基团，也可在充放电过程中，跟电极材料里的吸电子原子结合。最后，基于非金属阴离子的液固、液气异相转化反应，是在集流体或者催化剂表面进行的电子/物质的交换。
在总结了不同的非金属离子与不同的电极材料的相互作用方式之后，它们所对应的电池电化学性能也有所不同。通过跟常见的金属载流子，阴阳离子非金属载流子对比性能，从电极反应的电压，容量，倍率性，循环稳定性等参数进行比较，基于非金属载流子的电池，表现出了相媲美的性能优势。
最后，该报告还总结了基于非金属载流子的电池设计策略，从电极材料的设计，特别是对电极材料过渡金属的化合价的考虑。还展望对非金属载流子的在大规模储能领域，在柔性电池应用领域的应用前景。此外，还讨论了非金属载流子的未来研究方向，比如提高水系电池的电压，提高容量等。
Guojin Liang, Funian Mo, Xiulei Ji*, Chunyi Zhi*, Non-metallic charge carriers for aqueous batteries, Nature Reviews Materials, 2020, DOI:10.1038/s41578-020-00241-4