鉅大LARGE | 點擊量：816次 | 2021年12月13日
天津大學發(fā)現(xiàn)解耦電解質方案可大大提高鋅錳電池性能
全球對可充電電池的需求在過去10年左右呈指數(shù)級增長，因為它們需要為智能手機、筆記本電腦、平板電腦、智能手表和健身追蹤器等越來越多的便攜式電子設備提供動力。為了更有效地工作，可充電電池應該具有較高的能量密度，同時也應該是安全、穩(wěn)定和環(huán)保的。
雖然鋰離子電池是目前最廣泛使用的可充電儲能系統(tǒng)之一，但它們含有易揮發(fā)的有機電解質，這大大降低了它們的安全性。
最有希望替代鋰電池的是基于不易燃和低成本的水基電解質的電池，如鉛酸電池和鋅錳電池。這些電池有許多優(yōu)點，包括安全性更高、生產(chǎn)成本更低。然而，到目前為止，它們的性能、工作電壓和可充電性與鋰電池相比都有一定的局限性。
天津大學高級陶瓷與加工技術教育部重點實驗室、天津復合材料與功能材料重點實驗室的研究人員最近提出了一種新的設計策略，可以提高鋅錳氧化物（Zn——MnO2）電池的性能。他們在《自然能源》雜志上發(fā)表的一篇論文中提出的方法，是將電池內(nèi)部的電解質解耦，從而在鋅和二氧化錳電極上實現(xiàn)最佳氧化還原化學反應。
研究人員之一鐘教授（音譯）表示：“我們的論文是在無意中完成的，當我們用新電沉積的MnO2組裝堿性鋅錳電池時，MnO2表面有一些殘留的H2SO4。組裝的電池比傳統(tǒng)的Zn——MnO2電池顯示出更高的放電電壓，這鼓勵我們把東西剝離到基本的東西，為我們的研究奠定基礎?！?/p>
符合Exic IIB T4 Gc防爆標準
充電溫度：0~45℃
-放電溫度：-40~+55℃
-40℃最大放電倍率：1C
-40℃ 0.5放電容量保持率≥70%
鐘教授團隊發(fā)現(xiàn)，他們的解耦電解質策略可以使開路電壓為2．83V的Zn——MnO2電池性能更好。考慮到更傳統(tǒng)的Zn——MnO2電池的電壓通常為1．5V，這結果相當有前途。
使用他們的電解解耦策略制造的電池，在連續(xù)使用和充電200小時后，電池容量僅下降了2％。此外，在各種放電電流密度下，電池仍能保持100％的容量。值得注意的是，研究人員證明，用他們的方法制造的電池也可以與風能和光伏混合動力系統(tǒng)集成，這進一步提高了電池的可持續(xù)性。
鐘教授解釋說：“電解解耦策略的目的是同時實現(xiàn)鋅和二氧化錳電極的最佳氧化還原化學反應?！睂nO2陰極和Zn陽極的工作條件解耦，使酸性MnO2和堿性Zn氧化還原反應在單細胞內(nèi)同時進行。由此得到的DZMB電池比傳統(tǒng)的堿性鋅錳電池具有更高的工作電壓和更長的循環(huán)壽命?！?/p>
在未來，鐘教授和他的同事提出的新設計策略可以用于生產(chǎn)新的Zn——MnO2電池，這種電池成本低且安全，但同時具有極高的開路電壓和更長的循環(huán)壽命。值得注意的是，同樣的策略也可以用于提高其他鋅基水電池的性能，包括那些含有鋅——銅和鋅——銀組合物的電池。
鐘教授說：“由于目前最先進的離子選擇性膜的成本和性能仍不理想，我們未來的研究將集中在不使用這種膜的解耦設計上。
家用電器、電動玩具、智能化家居用品、家用醫(yī)療健康電子儀器、無線安防設備、戶外電子設備、無線通訊設備等電子設備制造行業(yè)有望迎來新的發(fā)展機遇。與之相對應的上游行業(yè)——鋅錳電池制造業(yè)或迎來強勁的市場需求。
鋅錳電池是以二氧化錳為正極，鋅為負極，氯化銨水溶液為主電解液的原電池。俗稱干電池。電池性能符合國家行業(yè)標準，與國外電池性能相當。由于能重負載，大電流放電，電容量大，低溫性能和防漏性能好，性能價格比高(價為干電池2-3倍，大電流工作電能是6-8倍)等優(yōu)點而廣泛用于民用和工業(yè)。
錳基電池因資源儲量豐富、成本低廉以及環(huán)境友好等優(yōu)勢受到廣泛關注。但循環(huán)穩(wěn)定性差等問題一直制約著錳基電池的發(fā)展。業(yè)——鋅錳電池制造業(yè)或迎來強勁的市場需求。
前不久，中科院大連化物所開發(fā)出了一種基于雙電子轉移，沉積-溶解型反應的錳基正極電對;并將上述電對應用于中性鋅錳液流電池當中，大幅提高了電池的可靠性。該工作為開發(fā)新一代二次錳基電池提供了新思路。
該團隊提出的錳基電對以Mn(Ac)2作為活性物質，由于Ac-的配位作用，在充電過程中，Mn(Ac)2通過氧化反應以MnO2的形式沉積在電極上，在放電過程中溶解為Mn(Ac)2;與其它錳鹽(MnSO4或MnCl2)部分或者全部生成Mn3+的機理完全不同，該反應可以完全避免Mn3+的歧化副反應問題，從而大大提高了電對的穩(wěn)定性和可逆性。
新型電解鋅錳電池商業(yè)化
澳大利亞阿德萊德大學(theUniversityofAdelaide)的研究人員與一家中國電池制造商簽訂了一份價值100萬美元(約合701.96萬元人民幣)的研究合同，將研發(fā)新電池技術，并在未來12個月內(nèi)將該技術推向市場。
該項專利設計會使用無毒的鋅和錳金屬(在澳大利亞儲量豐富)，以及不可燃的水電解質以生產(chǎn)高能量密度的電池。研究人員估計，此種新型電解鋅錳電池的成本將低于10美元/kWh，相比之下，目前鋰離子電池的成本為300美元/kWh，鎳鐵電池為72美元/kWh，鉛酸電池為48美元/kWh。
研究人員于12月前開始在南澳大利亞進行該項目，在今年年初已經(jīng)獲得該技術的專利。中國電池制造商卓越新能源股份有限公司(ZhuoyuePowerNewEnergyLtd)承諾投資100萬美元以研發(fā)該項新技術。目前，該公司生產(chǎn)的電池主要是鉛電池。
現(xiàn)在，研究人員將在阿德萊德進行研究工作以及初步的產(chǎn)品開發(fā)工作，預計會在澳大利亞和中國兩地生產(chǎn)此類電池。研究人員表示，該項目將結合新的電解電池技術以及卓越新能源股份有限公司的電池組裝技術。此外，此種電池使用的是最基本的材料和簡單的生產(chǎn)工藝，與現(xiàn)有能量密度相當?shù)碾姵叵啾?，生產(chǎn)成本更低，回收也更容易。
參考來源：OFweek鋰電網(wǎng)，長江有色金屬網(wǎng)，能源界
