Non-metallic charge carriers for aqueous batteries

载流子 电池(电) 材料科学 电荷(物理) 离子键合 电极 金属 纳米技术 化学物理 光电子学 离子 化学 热力学 物理 物理化学 功率(物理) 有机化学 冶金 量子力学
作者
Guojin Liang,Funian Mo,Xiulei Ji,Chunyi Zhi
出处
期刊:Nature Reviews Materials [Springer Nature]
卷期号:6 (2): 109-123 被引量:418
标识
DOI:10.1038/s41578-020-00241-4
摘要

Charge carriers are fundamental components of batteries that determine battery chemistry and performance. Non-metallic charge carriers provide an alternative to metallic charge carriers in aqueous batteries, enabling fast kinetics, long cyclic lifetime and low manufacturing costs. Non-metallic charge carriers not only can be inserted into the electrode framework, where they establish covalent–ionic bonds, but can also serve as reversible redox centres for charge transfer, resulting in superior performance compared with metallic charge carrier-based devices. In this Review, we discuss cationic and anionic non-metallic charge carriers, their physicochemical properties, charge storage mechanisms and electrode interactions. We examine battery configurations of non-metallic charge carrier-based devices and analyse battery performance based on costs, capacity, working potential, rate capability and cycling stability. Finally, we highlight design strategies for aqueous batteries based on non-metallic charge carriers and future applications. This Review discusses non-metallic charge carriers for aqueous batteries, investigating fundamental mechanisms of charge storage and electrode interactions, as well as battery design and performance.
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