Nature energy-可逆液態Zn/MnO2電池儲能轉換反應

Zn/Mn電池的研究始于19世紀90年代，目的在于替代高成本、安全系數低的鋰離子電池。但是這種電池在經過幾次充電后就會失效，研究結果表明原因是沒能很好地控制其化學平衡。

鋰離子電池通過所謂的夾層來實現充放電，鋰離子在兩個電極原子間的顯微間隙中進進出出。美國太平洋西北國家實驗室的研究人員根據這種理念，開發了一種Zn/MnO2新型電池,他們認為Zn離子也會像鋰離子電池中鋰離子那樣，進出于兩個電極之間。而測試結果更是令人驚奇，Zn/MnO2實現了可逆化學反應，將失去電子的離子轉移到完全沒有被電離的材料上面。

在經過僅僅幾個循環后，由于電池正極材料Mn的逐漸減少，使得離子無法轉移，從而導致電池的存儲容量大幅降低。根據化學平衡，研究人員在最初電解液中增加Mn離子的濃度，從而有效減緩了陽極材料Mn的溶解速率。實驗結果顯示，5000次循環測試后，MnO2的儲存容量可以達到285mAh/g，保持了其初始容量的的92%。

該電池與傳統汽車用電池的價格一樣，但能量密度非常高，這對存儲可再生能源和電網而言，成本低、環境友好，意義重大。

【圖文導讀】

圖1，a,b. Zn/MnO2電池在2 M ZnSO4電解液中(a)最初兩個循環的充放電曲線；??(b)?C/5條件下的循環特性（1C=308mA/g，容量基于MnO2的質量），b?中插圖為初始階段循環數據的放大圖；

c. 循環過程中電解液里溶解的Mn²⁺元素分析（紅色與藍色點畫線分別對應?Zn²⁺ 、Mn²⁺離子在電解液中的摩爾比以及循環過程中平衡容量損失）;

圖2，a,b. M ZnSO4水性電解質中，MnO2電極在有無0.1 M MnSO4添加劑(a)CV掃描對比（0.1 mV /s，二次循環），(b)添加劑含量為C/3、1C條件下的循環特性；

c,d. 使用MnSO4添加劑的Zn/MnO2電池(a)倍率性能，(b)長周期循環性能；

圖3，a-c,e-g. MnO2電極在第一次循環中(a-c)放電至1V, (e-g)其后充電返回至?1.8V. 圖中黃色與藍色矩形區域分別具有短納米棒與納米顆粒團聚的拓撲典?型特征，圖b，f中的箭頭指出了短納米棒生長方向；

d. 短納米棒STEM-HAAD圖像以及在首循環放電狀態下MnO2電極中Mn、O、Zn元素分布STEM–EDS圖譜；

電解質：2 M ZnSO4水性電解質中加入0.1 M MnSO4添加劑

圖4，a. Zn分別在40 wt%堿性電解質中以 0.24 mA cm^?2的速度，以及在含有0.1 M MnSO4的2 M ZnSO4水性電解質中以0.24–0.72 mA cm^?2速度，從Zn/Zn對稱電池中剝離/電鍍，Zn電極的剝離/電鍍能力在每個循環分別為0.3,0.6,0.9mAh每1.25cm²，a中的插圖為Zn陽極在堿性和中性水電解質溶液中的光學圖像；

b. 原始Zn陽極SEM圖像；

c. Zn陽極在含有0.1 M MnSO4的2 M ZnSO4水性電解質中，經過120次循?環（240h）后的SEM圖像和EDX圖譜;

該成果發表于Nature Energy上

原文網址：Unexpected discovery leads to a better battery

感謝素材組尉谷雨提供素材。