中科大&斯坦福 Nano Lett.：一种高倍率性能的锂锰氧化物-氢气（LMO-H）电池

【背景介绍】

随着传统化石燃料的过度使用，太阳能和风能等可再生能源被广泛认为是解决能源危机的有效方法。但是，这些可再生能源是间歇性的。因此，开发电能存储技术将太阳能和风能整合到电网中，以解决其间歇性问题非常关键。虽然开发的锂离子、钠离子等可充电电池系统有望用于电网储能，但是其存在使用成本较高、循环寿命和效率较差等问题。因此，迫切需要开发具有长寿命、高倍率和低成本的新型可再充电电池系统，以实现实际的电网规模的能量存储。研究发现，基于析氢反应和氢气氧化反应电对（HER和HOR）的氢气负极具有低过电位、快速动力学和高稳定性的优点。先前已经报道的锰-氢气和镍-氢气电池显示出合理的能量密度、快速的充电/放电速率以及长的循环寿命。氢气电池优异的电化学性能激发研究人员对其他新型氢气电池体系进行研究和探索。锂离子电池正极材料（通常为锂过渡金属氧化物）具有研究广泛和工艺成熟等特点。其中，尖晶石型-锂锰氧化物（LiMn₂O₄，LMO）由于其低成本、环境友好和合适的电位，是用于水系和有机系锂离子电池的出色正极材料。然而，将商用LMO应用于具有高功率和稳定循环性能的电池还具有挑战性。

【成果简介】

基于此，中国科学技术大学应用化学系陈维教授、美国斯坦福大学崔屹教授（共同通讯作者）等人报道了通过将商用LMO正极在Li₂SO₄水溶液中与H₂负极进行配对，形成了一种可充电、高倍率、长寿命的新型锂锰氧化物-氢气（LMO-H）电池。由于HER/HOR氧化还原的快速动力学促进了LMO中锂离子的快速脱出/插入，使得LMO-H电池具有〜1.3 V的放电电压平台、高比容量（在1 C下为83 mAh g^-1 LMO）、高倍率容量（在50 C下为69.1 mAh g^-1 LMO）和长循环稳定性。在不同的电池条件下，通过对LMO-H电池的电化学性能的仔细研究，证明了H₂负极在LMO-H电池系统中的重要性。该工作将极大丰富可充电氢电池的化学性质，并为开发更好的储能技术开辟新的途径，同时为开发用于未来电网规模储能的新型可充电氢气电池提供了新思路。研究成果以题为“A High-Rate Lithium Manganese Oxide-Hydrogen Battery”发布在著名期刊Nano Lett.上。中国科学技术大学博士研究生朱正新为论文的第一作者，硕士生王明明、孟亚寒和本科生林子涵为共同作者。该研究得到了中组部人才项目计划、合肥微尺度物资科学国家研究中心和中国科学技术大学微纳研究与制造中心的支持。

【图文解读】

图一、处于充电/放电状态的LMO-H电池的示意图

图二、LMO正极和Pt/C负极的表征
（a-c）商用LMO粉末的SEM、TEM和XRD图像；

（d-f）市售Pt/C粉末的SEM、TEM和XRD图像。

图三、LMO-H电池的电化学性能

（a）扫描速度为0.5 mV s^-1的CV曲线；

（b）在0.5 C（1 C=120 mA g^-1 LMO）时的恒电流充电/放电电压曲线；

（c）不同电流的放电率曲线（充电电流相同）；

（d）不同放电倍率的容量曲线；

（e）LMO-H电池在10 C放电电流下的循环性能。其中(c-e)充电方式相同：先以2 C的充电速率充电，达到1.8 V的截止电位后，在1.8 V的恒定电位下继续充电至0.5 C的截止电流。

图四、对比LMO-H和LMO-C电池的电化学性能
（a）LMO-C电池在不同速率下的放电速率能力；

（b）LMO-H和LMO-C电池在5 C放电速率下的充电/放电曲线；

（c）LMO-H和LMO-C电池在20 C放电速率下的循环性能。

【小结】

本文首次报道了一种新型的LMO-H可充电电池系统，该系统将商用LMO作为正极与Pt/C作为H₂负极耦合。LMO-H电池的放电电位为〜1.3 V，在1 C时具有83 mAh g^-1 LMO的容量，并具有高达50 C的倍率性能。同时，LMO-H电池的H₂负极表现出极强的稳定性和对延长循环性能的可重复利用性。此外，通过在不同电池条件下的电化学系统研究，揭示了LMO-H电池的储能机理和高倍率性能。鉴于现代锂离子电池中大量的锂过渡金属氧化物，该LMO-H电池为通过使用不同的锂金属氧化物来设计各种可充电氢气电池开辟了新的途径。

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

通讯作者简介

陈维，中国科学技术大学化学与材料科学学院应用化学系特任教授，博士生导师，国家级人才项目计划入选者。2008年于北京科技大学获材料物理学士学位； 2013年于阿卜杜拉国王科技大学获材料科学与工程博士学位，导师为Husam Alshareef教授；其后于斯坦福大学从事博士后研究工作，导师为崔屹教授；2019年7月入职中国科学技术大学。

陈维教授专注于大规模储能电池，电催化等研究，在上述领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等国际期刊发表论文10余篇，参与发表SCI科研论文40余篇，论文总被引5000余次，H因子30。

陈维老师课题组网页：http://staff.ustc.edu.cn/~weichen1

参考文献：

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编译。

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