中科大陳維團隊、斯坦福崔屹團隊Adv. Energy Mater. 綜述: 基于沉積/溶解反應的水系錳基電池

【前言】

隨著石油等不可再生能源的過度消耗，合理開發利用太陽能、風能等可再生能源愈發重要。但各種可再生能源受地域和環境等因素限制，存在著嚴重的隨機性和間歇性。因此，實現能源的優化管理和大規模存儲顯得至關重要。二次電池被普遍認為是大規模儲能技術的有力競爭者，但目前占據商業主流的鋰離子電池因其低安全性和相對高成本問題，在大規模儲能領域具有較大的局限性。相反，水系電池因其具有低成本、高安全性、環境友好和長循環壽命等優點，被視為最具潛力的大規模儲能技術之一。然而目前市面上商業化的水系電池，比如鎳氫電池、鉛酸電池，受制于能量密度較低和循環壽命較短等缺點，無法滿足大規模儲能技術的應用需求。因此，開發低成本、高安全性、高能量密度和長循環壽命的水系電池迫在眉睫。以MnO₂為代表的Mn基化合物正極，被普遍認為是最有前景的水系電池材料之一。但在堿性和中性電解液情況下，MnO₂正極存在循環壽命不理想、容量較低等問題，因此，MnO₂正極的進一步開發具有十分重要的意義。

【文章簡介】

近期，中國科學技術大學陳維教授團隊和斯坦福大學崔屹教授，阿卜杜拉國王科技大學Husam N. Alshareef教授，阿德萊德大學喬世璋、晁棟梁教授課題組合作，在國際期刊Advanced Energy Materials上發表了題為“Opportunities of Aqueous Manganese‐Based Batteries with Deposition and Stripping Chemistry”的文章。在文章中，首先，對不同儲能機理的Mn基電池發展歷史進行回顧，并著重對新興的Mn²⁺/MnO₂沉積/溶解的電化學儲能機制進行分析。之后，總結了基于Mn²⁺/MnO₂沉積/溶解化學的水系Mn基電池的最新研究進展，并對Mn²⁺/MnO₂沉積/溶解的轉化機制進行分析。最后，對于Mn基電池大規模儲能應用的潛力進行了分析，深入探討了基于Mn²⁺/MnO₂沉積/溶解的錳基電池的發展機遇和未來方向。

【圖文導讀】

圖1. 水系Mn基電池用于大規模儲能在成本、安全性、循環壽命和能量密度方面的優勢，并與不同種類的電池進行對比。

圖2.水系Mn基電池的各種電化學儲能機理。

圖3.基于Mn²⁺/MnO₂沉積/溶解反應的水系Mn基電池的發展情況。

a.研究發展時間軸。

b.不同電極反應理論氧化還原電位。

圖4.基于Mn²⁺/MnO₂沉積/溶解反應的水系Mn基電池的機理以及電化學性能。

a.基于Mn²⁺/MnO₂沉積/溶解反應的Mn基水系電池的機理示意圖。

b.搭配不同負極的放電平臺以及理論放電曲線。

c.MnO₂-H₂電池循環穩定性。

d.MnO₂-Cu電池高面容量性能。

e.電解液耦合MnO₂-Zn電池的機理示意圖。

f.催化協同效應的MnO₂-Zn電池示意圖。

圖5.基于Mn²⁺/MnO₂沉積/溶解反應的水系液流MnO₂-Zn電池。

a.有膜水系液流MnO₂-Zn電池機理示意圖。

b.無膜水系液流MnO₂-Zn電池機理示意圖。

c.無膜水系液流MnO₂-Zn電池放電曲線。

d.無膜水系液流MnO₂-Zn電池循環穩定性。

圖6.Mn²⁺/MnO₂沉積/溶解反應機理的相關表征與理論計算。

a.MnO₂電極在不同充電階段的SEM。

b.MnO₂電極在不同放電階段的SEM。

c.充放電過程中溶液中Mn²⁺濃度變化的模擬結果。

d.充放電過程中MnO₂正極的原位拉曼光譜。

e.電解液中添加和不添加0.1 M H₂SO₄時沉積的MnO₂的Mn-L₂,₃ EELS能譜。

f.含有Mn空位的MnO₂的HAADF-STEM原子分辨率圖像。

g.電解液中添加和不添加0.1 M H₂SO₄時沉積的MnO₂的電子態密度變化。

h.電解液中添加和不添加0.1 M H₂SO₄時MnO₂溶解反應的相對能量分布。

圖7.基于Mn²⁺/MnO₂沉積/溶解反應的水系Mn基電池的大規模應用。

a.水系Mn基電池的大規模應用概念性示意圖。

b.無膜MnO₂-Zn液流電池的長循環穩定性測試。

c.大容量MnO₂-Zn電池的串并聯測試。

圖8.基于Mn²⁺/MnO₂沉積/溶解反應的水系Mn基電池的發展機遇與未來展望。

【總結與展望】

本文通過對水系Mn基電池的發展歷史進行回顧，總結了堿性和中性水系Mn基電池面臨的相關問題，提出在酸性電解液中Mn²⁺/MnO₂沉積/溶解反應具備的解決上述問題的特點，并總結了基于Mn²⁺/MnO₂沉積/溶解反應的系列研究工作。盡管基于Mn²⁺/MnO₂沉積/溶解反應的水系Mn基電池表現出優異的電化學性能，但是，Mn²⁺/MnO₂沉積/溶解反應仍存在一些問題需要進一步探索解決。最后，對水系Mn基電池在未來大規模儲能領域的應用前景和發展機遇進行了深入探討，并預言，Mn基電池將會成為未來能源應用領域的有力競爭者。

【通訊作者介紹】

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。以第一作者和通訊作者身份在Nature Energy, PNAS, Nano Letters, ACS Nano, Advanced Energy Materials等國際期刊發表論文20余篇，參與發表SCI科研論文50余篇，論文總被引6000余次，H因子38。

陳維課題組網頁：http://staff.ustc.edu.cn/~weichen1

崔屹，美國斯坦福大學材料科學與工程系終身教授。1998年本科畢業于中國科學技術大學應用化學系；2002年博士畢業于美國哈佛大學；2003-2005年在美國加州大學伯克利分校從事博士后研究工作；2005年入職斯坦福大學。崔屹教授是世界頂級納米技術科學家，長期致力于納米技術的研究及其對可持續發展領域的革新，包括清潔能源、環境保護、智能織物等交叉領域的深度創新與產業化，尤其是在電池納米技術領域，長期引領國際研究的前沿方向。以納米技術為核心，多學科交叉，多方向并進是崔屹教授課題組研究的重要特點，具體研究方向涉及能源存儲與轉化、納米顯微技術、納米環保技術、納米生物技術、先進納米材料的合成與制造等。

崔屹課題組已經在 Science、Nature 等期刊發表500多篇論文，申請專利 50 多項，論文被引190000余次，H-index為207。目前擔任Nano Letter執行主編，Battery 500聯盟共同主任，美國灣區光伏聯盟共同主任，斯坦福大學Precourt能源中心主任。崔屹教授已經領導創立了4家創業公司，分別是Amprius（致力于發展高能量密度鋰離子電池），4C Air（致力于發展納米纖維空氣凈化和抗病毒織物如口罩等），EnerVenue（致力于發展大規模儲能技術），EEnotech（致力于發展水凈化和智能織物等新科技）。

崔屹課題組網頁：http://web.stanford.edu/group/cui_group/index.htm

【文章鏈接】

標題：Opportunities of Aqueous Manganese‐Based Batteries with Deposition and Stripping Chemistry

鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/aenm.202002904

投稿以及內容合作可加編輯微信：cailiaorenvip。

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，投稿微信號：cailiaorenVIP.