Nature energy-可逆液态Zn/MnO2电池储能转换反应

Zn/Mn电池的研究始于19世纪90年代，目的在于替代高成本、安全系数低的锂离子电池。但是这种电池在经过几次充电后就会失效，研究结果表明原因是没能很好地控制其化学平衡。

锂离子电池通过所谓的夹层来实现充放电，锂离子在两个电极原子间的显微间隙中进进出出。美国太平洋西北国家实验室的研究人员根据这种理念，开发了一种Zn/MnO2新型电池,他们认为Zn离子也会像锂离子电池中锂离子那样，进出于两个电极之间。而测试结果更是令人惊奇，Zn/MnO2实现了可逆化学反应，将失去电子的离子转移到完全没有被电离的材料上面。

在经过仅仅几个循环后，由于电池正极材料Mn的逐渐减少，使得离子无法转移，从而导致电池的存储容量大幅降低。根据化学平衡，研究人员在最初电解液中增加Mn离子的浓度，从而有效减缓了阳极材料Mn的溶解速率。实验结果显示，5000次循环测试后，MnO2的储存容量可以达到285mAh/g，保持了其初始容量的的92%。

该电池与传统汽车用电池的价格一样，但能量密度非常高，这对存储可再生能源和电网而言，成本低、环境友好，意义重大。

【图文导读】

图1，a,b. Zn/MnO2电池在2 M ZnSO4电解液中(a)最初两个循环的充放电曲线；  (b) C/5条件下的循环特性（1C=308mA/g，容量基于MnO2的质量），b 中插图为初始阶段循环数据的放大图；

c. 循环过程中电解液里溶解的Mn²⁺元素分析（红色与蓝色点画线分别对应 Zn²⁺ 、Mn²⁺离子在电解液中的摩尔比以及循环过程中平衡容量损失）;

图2，a,b. M ZnSO4水性电解质中，MnO2电极在有无0.1 M MnSO4添加剂(a)CV扫描对比（0.1 mV /s，二次循环），(b)添加剂含量为C/3、1C条件下的循环特性；

c,d. 使用MnSO4添加剂的Zn/MnO2电池(a)倍率性能，(b)长周期循环性能；

图3，a-c,e-g. MnO2电极在第一次循环中(a-c)放电至1V, (e-g)其后充电返回至 1.8V. 图中黄色与蓝色矩形区域分别具有短纳米棒与纳米颗粒团聚的拓扑典 型特征，图b，f中的箭头指出了短纳米棒生长方向；

d. 短纳米棒STEM-HAAD图像以及在首循环放电状态下MnO2电极中Mn、O、Zn元素分布STEM–EDS图谱；

电解质：2 M ZnSO4水性电解质中加入0.1 M MnSO4添加剂

图4，a. Zn分别在40 wt%碱性电解质中以 0.24 mA cm⁻²的速度，以及在含有0.1 M MnSO4的2 M ZnSO4水性电解质中以0.24–0.72 mA cm⁻²速度，从Zn/Zn对称电池中剥离/电镀，Zn电极的剥离/电镀能力在每个循环分别为0.3,0.6,0.9mAh每1.25cm²，a中的插图为Zn阳极在碱性和中性水电解质溶液中的光学图像；

b. 原始Zn阳极SEM图像；

c. Zn阳极在含有0.1 M MnSO4的2 M ZnSO4水性电解质中，经过120次循 环（240h）后的SEM图像和EDX图谱;

该成果发表于Nature Energy上

原文网址：Unexpected discovery leads to a better battery

感谢素材组尉谷雨提供素材。