【引言】

二次電池在新能源領(lǐng)域具有很高的發(fā)展?jié)摿ΑＤ壳岸坞姵氐姆N類主要有鋰離子電池、鉛酸電池、液流電池和液態(tài)金屬電池等，這些電池都具有在大規(guī)模儲能器件上的應(yīng)用潛力。但是，這些二次電池也面臨許多需要迫切解決的問題，如：成本較高、循環(huán)壽命短、安全性能差等問題。Mn-H二次電池具有環(huán)保、成本低和電極材料儲量豐富等特點(diǎn)，可以極大的縮短二次電池在大規(guī)模應(yīng)用上的問題。因此，本文研究了不同類型的Mn-H電池的儲能特點(diǎn)。

【成果簡介】

近日，美國斯坦福大學(xué)的崔屹（通訊作者）等人，研發(fā)出一種新型的Mn-H二次電池。在兩電極反應(yīng)中，電池的正極是可溶的Mn²⁺和固態(tài)MnO₂，負(fù)極材料是循環(huán)的H₂和H₂O。其中，H₂和H₂O是通過析氫和氧化的催化反應(yīng)獲得。這個(gè)電池的放電電壓是~1.3 V，循環(huán)10000圈后容量沒有衰減。在4 M MnSO₄電解液中，電池的質(zhì)量能量密度為~139 Wh kg^-1，體能量密度為~210 Wh l^-1。Mn-H電池是價(jià)格低、原料豐富，并且具有大規(guī)模應(yīng)用潛力的儲能設(shè)備。相關(guān)成果以“A manganese–hydrogen battery with potential for grid-scale energy storage”為題發(fā)表在Nature Energy上。

【圖文導(dǎo)讀】

圖 1 M-H電池的模擬示意圖

（a）M-H電池充放電模型示意圖；

（b）完全充放電過程中，Mn²⁺在電解液中的濃度變化的模擬譜圖。

圖 2 “Swagelok型”M-H電池的電化學(xué)性能圖

（a）1 M MnSO₄和0.05 M H₂SO₄電解液中，前10圈的放電曲線圖；

（b）不同電流密度下，電池的放電曲線圖；

（c）電池的倍率性能圖；

（d）電池的循環(huán)性能圖。

圖 3 Mn-H電池正極材料的顯微結(jié)構(gòu)圖

（a，b）首圈充電后，正極材料的SEM圖像；

（c）首圈充電后，正極材料的TEM圖像；

（d，e）首圈放電后，正極材料的SEM圖像；

（f）首圈放電后，正極材料的TEM圖像；

（g）首圈充放電后，正極材料的XRD圖像；

（h）首圈充電后，正極材料中Mn 3s的XPS圖譜；

（i）首圈充電后，正極材料中O 1s的XPS圖譜。

圖 4 Mn-H電池的等比例放大圖及其性能圖

（a）三種電極尺寸的Swagelok型電池的放電曲線圖；

（b）Swagelok II型電池的循環(huán)性能圖；

（c）無隔膜柱狀Mn-H電池的實(shí)物圖及示意圖；

（d）正極為碳材料的柱狀電池的放電曲線圖；

（e）柱狀電池的循環(huán)性能圖。

【小結(jié)】

本文報(bào)道了一種全新的Mn-H二次電池。該體系電池采用氫氣作為負(fù)極，展現(xiàn)出優(yōu)異的電化學(xué)性能潛力。其制作方法能夠促進(jìn)高能量密度、快速充放電、超穩(wěn)定電池在大規(guī)模能源器件的發(fā)展。作者之后將關(guān)注于高效電極材料的電池性能和電池價(jià)格的優(yōu)化。Mn-H電池的成本將會隨著高活性、HER/HOR電催化的研究進(jìn)一步降低。

【團(tuán)隊(duì)介紹】

崔屹教授，現(xiàn)為美國斯坦福大學(xué)材料科學(xué)與工程系終身教授，世界知名科學(xué)期刊《納米快訊》副主編，美國灣區(qū)光伏聯(lián)盟主任和電池500聯(lián)盟主任。崔教授目前領(lǐng)導(dǎo)一個(gè)55人的博士、博士后研究團(tuán)隊(duì)，從事納米、新材料、新能源、環(huán)境保護(hù)和生物科學(xué)的研究。

團(tuán)隊(duì)在該領(lǐng)域工作匯總：

https://web.stanford.edu/group/cui_group/index.htm

團(tuán)隊(duì)優(yōu)質(zhì)文獻(xiàn)推薦：

（1）D. Lin, Y. Liu, and Y. Cui, "Reviving the lithium metal anode for high-energy batteries", Nature Nanotechnology 12, (2017) DOI:10.1038/NNANO.2017.16.

（2）Y. Liu, G. Zhou, K. Liu, and Y. Cui, "Design of Complex Nanomaterials for Energy Storage: Past Success and FutureOpportunity" Accounts of Chemical Research 50 (12), 2895–2905 (2017) DOI: 10.1021/acs.accounts.7b00450.

（3）Y. Sun, N. Liu, and Y. Cui, "Promises and challenges of nanomaterials for lithium-based rechargeable batteries", Nature Energy 1 (7), 16071 (2016) DOI:10.1038/NENERGY.2016.71.

（4）Y. Yang, G. Zheng, and Y. Cui, "Nanostructured sulfur cathodes", Chemical Society Reviews, 42, 3018-3032 (2013) DOI:10.1039/C2CS35256G.

文獻(xiàn)鏈接：A manganese–hydrogen battery with potential for grid-scale energy storage（Nature Energy, 2018, DOI: 10.1038/s41560-018-0147-7）。