雄“锌”壮志——从锌离子电池到高电压电解Zn-MnO2电池

来源：Wiley

原标题：【能源】Angew. Chem.：雄“锌”壮志——从锌离子电池到高电压电解Zn-MnO2电池

锌离子电池，即充放电过程中，正极材料可进行Zn2+的脱嵌，负极可进行Zn的氧化溶解/ Zn2+的还原沉积，电解液为含Zn2+的近中性或弱酸性水性溶液。锌离子电池由于其低成本和高安全是未来能源存贮的重要发展方向。据估算，其成本接近镍铁和铅酸电池，远低于现有锂离子电池成本，在未来的大规模储电领域具有较好的应用前景。

锌离子电池要求正极材料能够发生可逆的Zn2+脱嵌。由于Zn2+嵌入/脱出反应为两电子过程，离子迁移能垒较大，电化学极化较高，使得宿主微观结构和相结构易破坏，抑制了锌离子电池的电压、倍率及循环性能。目前研究的正极材料主要包括Mn基、V基、普鲁士蓝类似物、Chevrel相化合物、有机正极材料等。各类正极材料各具优势，V基材料，由于其多样的配位多面体和晶体结构，通常具有较好的循环和高倍率性能，但是其放电电压过低（< 0.8 V）；普鲁士蓝类似物虽然具有较高的放电电压（> 1.7 V），但是其放电比容量普遍低于130 mAh/g；Chevrel相化合物放电电压及容量都较低；有机正极材料目前表现出高的比容量和略低于锰基的放电平台；Mn基材料，相对具有较高的放电比容量和适中的放电电压，但是由于Mn的溶解问题导致循环和倍率性能较差。总的来说，开发具有高比能量、高功率、长寿命的低成本水性锌电池应该集中在以下三个方面：（1）寻找具有高电压、高比容量、高倍率、长寿命的正极材料；（2）寻求高度可逆的锌负极材料，提高Zn负极在高放电深度下的循环性能；（3）寻求廉价、稳定的水性电解液。

近日，阿德莱德大学的乔世璋教授团队通过对锌离子电池中质子活性的优化，发现并激活了锌离子电池中“潜伏”的一步高电压反应机理，成功提出了正负极均为两电子反应的新型电解Zn-MnO2电池。

电解Zn-MnO2电池具有高达~2 V的理论电压，负极理论质量比容量820 mAh/g，正极理论质量比容量616 mAh/g，及高达700 Wh/kg的理论比能量密度。合成制备及电池组装简易，只需要硫酸锌、硫酸锰及微量硫酸作为电解液、泡沫锌负极、正极为碳布集流体，可轻易实现串并联电池组，及更为规模化能源存贮的液流电池组设计。试验中，此电解Zn-MnO2电池具有实测电压1.95 V的高且平整的放电电压平台，约570 mAh/g的高放电比容量，约409 Wh/kg的高能量密度基于正极及负极活性物质。

针对弱酸性条件下正极MnO2的电解过程分析及动力学研究，作者系统分析了酸性与中性条件下MnO2组织结构以及成分的影响，结合HADDF-STEM以及EELS等测试手段对酸性条件下的阳离子空位形成进行了直观的表征，并首次用DFT细致分析了此两电子MnO2电解过程机理，解析了每一步反应及其质子活性、阳离子空位对电解动力学的积极影响。

这一发现不仅为锌离子电池的电荷存储机理提供了新的见解，还为高能量、可大规模新型锌电池发展提供了指导方向。此外，根据作者保守估计，此电解 Zn-MnO2电池成本每千瓦时低于10美元。相信在不久的将来，在相关技术进一步完善之后，电解锌锰电池将有望实现大规模储能的产业化应用。

相关工作发表在Angew. Chem. Int. Ed. 上。

An Electrolytic Zn‐MnO2 Battery for High‐Voltage and Scalable Energy Storage

Dongliang Chao, Wanhai Zhou, Chao Ye, Qinghua Zhang, Yungui Chen, Lin Gu, Kenneth Davey, Shi-Zhang Qiao

Angew. Chem. Int. Ed., 2019, DOI: 10.1002/anie.201904174

导师介绍

乔世璋

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