斯坦福大学崔屹Nat. Energy：具有电网规模储能潜力的锰氢电池

【引言】

二次电池在新能源领域具有很高的发展潜力。目前二次电池的种类主要有锂离子电池、铅酸电池、液流电池和液态金属电池等，这些电池都具有在大规模储能器件上的应用潜力。但是，这些二次电池也面临许多需要迫切解决的问题，如：成本较高、循环寿命短、安全性能差等问题。Mn-H二次电池具有环保、成本低和电极材料储量丰富等特点，可以极大的缩短二次电池在大规模应用上的问题。因此，本文研究了不同类型的Mn-H电池的储能特点。

【成果简介】

近日，美国斯坦福大学的崔屹（通讯作者）等人，研发出一种新型的Mn-H二次电池。在两电极反应中，电池的正极是可溶的Mn²⁺和固态MnO₂，负极材料是循环的H₂和H₂O。其中，H₂和H₂O是通过析氢和氧化的催化反应获得。这个电池的放电电压是~1.3 V，循环10000圈后容量没有衰减。在4 M MnSO₄电解液中，电池的质量能量密度为~139 Wh kg^-1，体能量密度为~210 Wh l^-1。Mn-H电池是价格低、原料丰富，并且具有大规模应用潜力的储能设备。相关成果以“A manganese–hydrogen battery with potential for grid-scale energy storage”为题发表在Nature Energy上。

【图文导读】

图 1 M-H电池的模拟示意图

（a）M-H电池充放电模型示意图；

（b）完全充放电过程中，Mn²⁺在电解液中的浓度变化的模拟谱图。

图 2 “Swagelok型”M-H电池的电化学性能图

（a）1 M MnSO₄和0.05 M H₂SO₄电解液中，前10圈的放电曲线图；

（b）不同电流密度下，电池的放电曲线图；

（c）电池的倍率性能图；

（d）电池的循环性能图。

图 3 Mn-H电池正极材料的显微结构图

（a，b）首圈充电后，正极材料的SEM图像；

（c）首圈充电后，正极材料的TEM图像；

（d，e）首圈放电后，正极材料的SEM图像；

（f）首圈放电后，正极材料的TEM图像；

（g）首圈充放电后，正极材料的XRD图像；

（h）首圈充电后，正极材料中Mn 3s的XPS图谱；

（i）首圈充电后，正极材料中O 1s的XPS图谱。

图 4 Mn-H电池的等比例放大图及其性能图

（a）三种电极尺寸的Swagelok型电池的放电曲线图；

（b）Swagelok II型电池的循环性能图；

（c）无隔膜柱状Mn-H电池的实物图及示意图；

（d）正极为碳材料的柱状电池的放电曲线图；

（e）柱状电池的循环性能图。

【小结】

本文报道了一种全新的Mn-H二次电池。该体系电池采用氢气作为负极，展现出优异的电化学性能潜力。其制作方法能够促进高能量密度、快速充放电、超稳定电池在大规模能源器件的发展。作者之后将关注于高效电极材料的电池性能和电池价格的优化。Mn-H电池的成本将会随着高活性、HER/HOR电催化的研究进一步降低。

【团队介绍】

崔屹教授，现为美国斯坦福大学材料科学与工程系终身教授，世界知名科学期刊《纳米快讯》副主编，美国湾区光伏联盟主任和电池500联盟主任。崔教授目前领导一个55人的博士、博士后研究团队，从事纳米、新材料、新能源、环境保护和生物科学的研究。

团队在该领域工作汇总：

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

团队优质文献推荐：

（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.

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

欢迎大家到材料人宣传科技成果并对文献进行深入解读，投稿邮箱tougao@cailiaoren.com。

材料人投稿以及内容合作可加编辑微信：cailiaokefu，任丹丹。

材料牛专注于跟踪材料领域科技及行业进展，这里汇集了各大高校硕博生、一线科研人员以及行业从业者，如果您对于跟踪材料领域科技进展，解读高水平文章或是评述行业有兴趣，点我加入材料人编辑部。

材料测试，数据分析，上测试谷！