中科大&斯坦福 Nano Lett.：一種高倍率性能的鋰錳氧化物-氫氣（LMO-H）電池

【背景介紹】

隨著傳統化石燃料的過度使用，太陽能和風能等可再生能源被廣泛認為是解決能源危機的有效方法。但是，這些可再生能源是間歇性的。因此，開發電能存儲技術將太陽能和風能整合到電網中，以解決其間歇性問題非常關鍵。雖然開發的鋰離子、鈉離子等可充電電池系統有望用于電網儲能，但是其存在使用成本較高、循環壽命和效率較差等問題。因此，迫切需要開發具有長壽命、高倍率和低成本的新型可再充電電池系統，以實現實際的電網規模的能量存儲。研究發現，基于析氫反應和氫氣氧化反應電對（HER和HOR）的氫氣負極具有低過電位、快速動力學和高穩定性的優點。先前已經報道的錳-氫氣和鎳-氫氣電池顯示出合理的能量密度、快速的充電/放電速率以及長的循環壽命。氫氣電池優異的電化學性能激發研究人員對其他新型氫氣電池體系進行研究和探索。鋰離子電池正極材料（通常為鋰過渡金屬氧化物）具有研究廣泛和工藝成熟等特點。其中，尖晶石型-鋰錳氧化物（LiMn₂O₄，LMO）由于其低成本、環境友好和合適的電位，是用于水系和有機系鋰離子電池的出色正極材料。然而，將商用LMO應用于具有高功率和穩定循環性能的電池還具有挑戰性。

【成果簡介】

基于此，中國科學技術大學應用化學系陳維教授、美國斯坦福大學崔屹教授（共同通訊作者）等人報道了通過將商用LMO正極在Li₂SO₄水溶液中與H₂負極進行配對，形成了一種可充電、高倍率、長壽命的新型鋰錳氧化物-氫氣（LMO-H）電池。由于HER/HOR氧化還原的快速動力學促進了LMO中鋰離子的快速脫出/插入，使得LMO-H電池具有?1.3 V的放電電壓平臺、高比容量（在1 C下為83 mAh g^-1?LMO）、高倍率容量（在50 C下為69.1 mAh g^-1?LMO）和長循環穩定性。在不同的電池條件下，通過對LMO-H電池的電化學性能的仔細研究，證明了H₂負極在LMO-H電池系統中的重要性。該工作將極大豐富可充電氫電池的化學性質，并為開發更好的儲能技術開辟新的途徑，同時為開發用于未來電網規模儲能的新型可充電氫氣電池提供了新思路。研究成果以題為“A High-Rate Lithium Manganese Oxide-Hydrogen Battery”發布在著名期刊Nano Lett.上。中國科學技術大學博士研究生朱正新為論文的第一作者，碩士生王明明、孟亞寒和本科生林子涵為共同作者。該研究得到了中組部人才項目計劃、合肥微尺度物資科學國家研究中心和中國科學技術大學微納研究與制造中心的支持。

【圖文解讀】

圖一、處于充電/放電狀態的LMO-H電池的示意圖

圖二、LMO正極和Pt/C負極的表征
（a-c）商用LMO粉末的SEM、TEM和XRD圖像；

（d-f）市售Pt/C粉末的SEM、TEM和XRD圖像。

圖三、LMO-H電池的電化學性能

（a）掃描速度為0.5 mV s^-1的CV曲線；

（b）在0.5 C（1 C=120 mA g^-1?LMO）時的恒電流充電/放電電壓曲線；

（c）不同電流的放電率曲線（充電電流相同）；

（d）不同放電倍率的容量曲線；

（e）LMO-H電池在10 C放電電流下的循環性能。其中(c-e)充電方式相同：先以2 C的充電速率充電，達到1.8 V的截止電位后，在1.8 V的恒定電位下繼續充電至0.5 C的截止電流。

圖四、對比LMO-H和LMO-C電池的電化學性能
（a）LMO-C電池在不同速率下的放電速率能力；

（b）LMO-H和LMO-C電池在5 C放電速率下的充電/放電曲線；

（c）LMO-H和LMO-C電池在20 C放電速率下的循環性能。

【小結】

本文首次報道了一種新型的LMO-H可充電電池系統，該系統將商用LMO作為正極與Pt/C作為H₂負極耦合。LMO-H電池的放電電位為?1.3 V，在1 C時具有83 mAh g^-1?LMO的容量，并具有高達50 C的倍率性能。同時，LMO-H電池的H₂負極表現出極強的穩定性和對延長循環性能的可重復利用性。此外，通過在不同電池條件下的電化學系統研究，揭示了LMO-H電池的儲能機理和高倍率性能。鑒于現代鋰離子電池中大量的鋰過渡金屬氧化物，該LMO-H電池為通過使用不同的鋰金屬氧化物來設計各種可充電氫氣電池開辟了新的途徑。

文獻鏈接：A High-Rate Lithium Manganese Oxide-Hydrogen Battery（Nano Lett., 2020, DOI: 10.1021/acs.nanolett.0c00044）

通訊作者簡介

陳維，中國科學技術大學化學與材料科學學院應用化學系特任教授，博士生導師，國家級人才項目計劃入選者。2008年于北京科技大學獲材料物理學士學位； 2013年于阿卜杜拉國王科技大學獲材料科學與工程博士學位，導師為Husam Alshareef教授；其后于斯坦福大學從事博士后研究工作，導師為崔屹教授；2019年7月入職中國科學技術大學。

陳維教授專注于大規模儲能電池，電催化等研究，在上述領域取得了一系列科研成果。以第一作者身份在Nature Energy, PNAS, Nano Letters, ACS Nano, Science Advances等國際期刊發表論文10余篇，參與發表SCI科研論文40余篇，論文總被引5000余次，H因子30。

陳維老師課題組網頁：http://staff.ustc.edu.cn/~weichen1

參考文獻：

1. Wei Chen#, Guodong Li#, Allen Pei, Yuzhang Li, Lei Liao, Hongxia Wang, Jiayu Wan, Zheng Liang, Guangxu Chen, Hao Zhang, Jiangyan Wang, Yi Cui*, A Manganese-Hydrogen Battery with Potential for Grid-Scale Energy Storage, Nature Energy, 2018, 3, 428-435.

2. Wei Chen, Yang Jin, Jie Zhao, Nian Liu, Yi Cui*, Nickel-Hydrogen Batteries for Large-Scale Energy Storage, Proceedings of the National Academy of Sciences, U. S. A. 2018, 115 (46), 11694-11699.

3. Guodong Li#, Wei Chen#, Hao Zhang#, Yongji Gong, Feifei Shi, Jiangyan Wang, Rufan Zhang, Guangxu Chen, Yang Jin, Tong Wu, Zhiyong Tang, Yi Cui*, Membrane-Free Zn/MnO₂ Flow Battery for Large-Scale Energy Storage, Advanced Energy Materials, 2020, 10, 1902085.

本文由CQR編譯。

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