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|乔世璋教授AM：电池动力学不好？催化一下


本文来自微信公众号：X-MOLNews
锌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 。 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；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、低成本的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 。
继2019年4月阿德莱德大学乔世璋教授（点击查看介绍）课题组报道“第一代2.0 V电解锌锰电池”体系（Angew. Chem. Int. Ed.,2019, 58, 7823-7828 ， 点击阅读详细） ， 已有众多课题组先后对锌锰电解行为（溶解/沉积反应）进行了探索研究 。 为了进一步拓展水系电池的电压窗口 ， 可以引入液流电池中常用的离子交换膜的思想 ， 孤立正负极电解液 ， 但引入选择性离子膜后 ， 会产生严重的动力学滞后 ， 功率密度低的问题会严重阻碍该新技术的产业化发展 。
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针对动力学问题 ， 近日 ， 乔世璋教授团队通过对电解液中“第三”阳离子进行调控——在电解液中引入少量NiSO4的方式 ， 对“第二代锌锰电解电池”（含膜电池）的动力学进行了调控和分析 。 提出“催化”水系电池动力学机理的同时 ， 详细分析了MnO2电解过程动力学的影响因素及电解机理 。 解决了此第二代锌锰电解电池面临的功率密度问题 。 此电解Zn-Mn电池具有大于3.4 V的电压窗口 ， 及~19 KW/kg功率密度和~650 Wh/kg能量密度（基于正极与负极） 。 这一发现不仅为MnO2/Mn2+的电荷转移机理提供了新的见解 ， 还为高功率、高能量、可大规模生产的新型锌电池发展提供了指导方向 。
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对于第二代锌锰电解电池（含膜混合型电池）的可行性及设计思路 ， 作者详细分析了不同膜材料的混合型电池的性能 ， 库伦效率、电压效率及能量效率 。 电化学稳定性窗口分析发现 ， 此体系下电解电池的实现需要最小的充电电压为2.35 V 。 同时GC分析验证 ， 此体系的电化学稳定电压窗口大于3.45 V 。 因此该体系需要一个在2.35 V 和3.45 V之间的电压进行充电 。 通过对比不同电压/电流充电模式 ， 作者最终选用2.7 V恒压充电的方式 。
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全电池测试在1C下电压平台近乎保持在2.44 V, 20C下仍在2 V以上 。 基于正极及负极质量计算 ， 容量可达270 mAh/g ， 450次循环无衰减；获得最大功率密度~19 KW/kg及最大能量密度~650 Wh/kg（计算考虑正极及负极质量）；此能量及功率密度相较其他水系电池（包含第一代锌锰电解电池、高浓电解液电池及其他电容电池）具有一定的优势 。 此电池用于模型车可稳定操作并运行 。
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