天津大学实验室提出稳定、高能锌锰电池的设计方案

2020-04-03 11:58

全球对可充电电池的需求在过去10年左右呈指数级增长，因为它们需要为智能手机、笔记本电脑、平板电脑、智能手表和健身追踪器等越来越多的便携式电子设备提供动力。为了更有效地工作，可充电电池应该具有较高的能量密度，同时也应该是安全、稳定和环保的。

虽然锂离子电池是目前最广泛使用的可充电储能系统之一，但它们含有易挥发的有机电解质，这大大降低了它们的安全性。

最有希望替代锂电池的是基于不易燃和低成本的水基电解质的电池，如铅酸电池和锌锰电池。这些电池有许多优点，包括安全性更高、生产成本更低。然而，到目前为止，它们的性能、工作电压和可充电性与锂电池相比都有一定的局限性。

天津大学高级陶瓷与加工技术教育部重点实验室、天津复合材料与功能材料重点实验室的研究人员最近提出了一种新的设计策略，可以提高锌锰氧化物（Zn－MnO2）电池的性能。他们在《自然能源》杂志上发表的一篇论文中提出的方法，是将电池内部的电解质解耦，从而在锌和二氧化锰电极上实现最佳氧化还原化学反应。

研究人员之一钟教授（音译）表示：“我们的论文是在无意中完成的，当我们用新电沉积的MnO2组装碱性锌锰电池时，MnO2表面有一些残留的H2SO4。组装的电池比传统的Zn－MnO2电池显示出更高的放电电压，这鼓励我们把东西剥离到基本的东西，为我们的研究奠定基础。”

钟教授团队发现，他们的解耦电解质策略可以使开路电压为2．83 V的Zn－MnO2电池性能更好。考虑到更传统的Zn－MnO2电池的电压通常为1．5V，这结果相当有前途。

使用他们的电解解耦策略制造的电池，在连续使用和充电200小时后，电池容量仅下降了2％。此外，在各种放电电流密度下，电池仍能保持100％的容量。值得注意的是，研究人员证明，用他们的方法制造的电池也可以与风能和光伏混合动力系统集成，这进一步提高了电池的可持续性。

钟教授解释说：“电解解耦策略的目的是同时实现锌和二氧化锰电极的最佳氧化还原化学反应。”将MnO2阴极和Zn阳极的工作条件解耦，使酸性MnO2和碱性Zn氧化还原反应在单细胞内同时进行。由此得到的DZMB电池比传统的碱性锌锰电池具有更高的工作电压和更长的循环寿命。”

在未来，钟教授和他的同事提出的新设计策略可以用于生产新的Zn－MnO2电池，这种电池成本低且安全，但同时具有极高的开路电压和更长的循环寿命。值得注意的是，同样的策略也可以用于提高其他锌基水电池的性能，包括那些含有锌－铜和锌－银组合物的电池。

钟教授说：“由于目前最先进的离子选择性膜的成本和性能仍不理想，我们未来的研究将集中在不使用这种膜的解耦设计上。

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