斯坦福大學崔屹Nat. Energy：具有電網規模儲能潛力的錳氫電池

【引言】

二次電池在新能源領域具有很高的發展潛力。目前二次電池的種類主要有鋰離子電池、鉛酸電池、液流電池和液態金屬電池等，這些電池都具有在大規模儲能器件上的應用潛力。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、循環壽命短、安全性能差等問題。Mn-H二次電池具有環保、成本低和電極材料儲量豐富等特點，可以極大的縮短二次電池在大規模應用上的問題。因此，本文研究了不同類型的Mn-H電池的儲能特點。

【成果簡介】

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

【圖文導讀】

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）電池的循環性能圖。

圖 3 Mn-H電池正極材料的顯微結構圖

（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型電池的循環性能圖；

（c）無隔膜柱狀Mn-H電池的實物圖及示意圖；

（d）正極為碳材料的柱狀電池的放電曲線圖；

（e）柱狀電池的循環性能圖。

【小結】

本文報道了一種全新的Mn-H二次電池。該體系電池采用氫氣作為負極，展現出優異的電化學性能潛力。其制作方法能夠促進高能量密度、快速充放電、超穩定電池在大規模能源器件的發展。作者之后將關注于高效電極材料的電池性能和電池價格的優化。Mn-H電池的成本將會隨著高活性、HER/HOR電催化的研究進一步降低。

【團隊介紹】

崔屹教授，現為美國斯坦福大學材料科學與工程系終身教授，世界知名科學期刊《納米快訊》副主編，美國灣區光伏聯盟主任和電池500聯盟主任。崔教授目前領導一個55人的博士、博士后研究團隊，從事納米、新材料、新能源、環境保護和生物科學的研究。

團隊在該領域工作匯總：

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

團隊優質文獻推薦：

（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 Future Opportunity" 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.

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

歡迎大家到材料人宣傳科技成果并對文獻進行深入解讀，投稿郵箱tougao@cailiaoren.com。

材料人投稿以及內容合作可加編輯微信：cailiaokefu，任丹丹。

材料牛專注于跟蹤材料領域科技及行業進展，這里匯集了各大高校碩博生、一線科研人員以及行業從業者，如果您對于跟蹤材料領域科技進展，解讀高水平文章或是評述行業有興趣，點我加入材料人編輯部。

材料測試，數據分析，上測試谷！