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天津大學(xué)實(shí)驗(yàn)室提出穩(wěn)定、高能鋅錳電池的設(shè)計(jì)方案
2020-04-03 19:51:34· 來源：OFweek鋰電 作者：jason
全球?qū)沙潆婋姵氐男枨笤谶^去10年左右呈指數(shù)級增長，因?yàn)樗鼈冃枰獮橹悄苁謾C(jī)、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(shè)備提供動力
全球?qū)沙潆婋姵氐男枨笤谶^去10年左右呈指數(shù)級增長，因?yàn)樗鼈冃枰獮橹悄苁謾C(jī)、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(shè)備提供動力。為了更有效地工作，可充電電池應(yīng)該具有較高的能量密度，同時(shí)也應(yīng)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(jī)電解質(zhì)，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(zhì)的電池，如鉛酸電池和鋅錳電池。這些電池有許多優(yōu)點(diǎn)，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(xué)高級陶瓷與加工技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、天津復(fù)合材料與功能材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的研究人員最近提出了一種新的設(shè)計(jì)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(zhì)解耦，從而在鋅和二氧化錳電極上實(shí)現(xiàn)最佳氧化還原化學(xué)反應(yīng)。
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(dāng)我們用新電沉積的MnO2組裝堿性鋅錳電池時(shí)，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(lì)我們把東西剝離到基本的東西，為我們的研究奠定基礎(chǔ)。”
鐘教授團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，他們的解耦電解質(zhì)策略可以使開路電壓為2．83 V的Zn－MnO2電池性能更好?？紤]到更傳統(tǒng)的Zn－MnO2電池的電壓通常為1．5V，這結(jié)果相當(dāng)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(shí)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(fēng)能和光伏混合動力系統(tǒng)集成，這進(jìn)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(shí)實(shí)現(xiàn)鋅和二氧化錳電極的最佳氧化還原化學(xué)反應(yīng)。”將MnO2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(yīng)在單細(xì)胞內(nèi)同時(shí)進(jìn)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。”
在未來，鐘教授和他的同事提出的新設(shè)計(jì)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(shí)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(jìn)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(shè)計(jì)上。
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(jī)電解質(zhì)，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(zhì)的電池，如鉛酸電池和鋅錳電池。這些電池有許多優(yōu)點(diǎn)，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(xué)高級陶瓷與加工技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、天津復(fù)合材料與功能材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的研究人員最近提出了一種新的設(shè)計(jì)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(zhì)解耦，從而在鋅和二氧化錳電極上實(shí)現(xiàn)最佳氧化還原化學(xué)反應(yīng)。
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(dāng)我們用新電沉積的MnO2組裝堿性鋅錳電池時(shí)，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(lì)我們把東西剝離到基本的東西，為我們的研究奠定基礎(chǔ)。”
鐘教授團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，他們的解耦電解質(zhì)策略可以使開路電壓為2．83 V的Zn－MnO2電池性能更好?？紤]到更傳統(tǒng)的Zn－MnO2電池的電壓通常為1．5V，這結(jié)果相當(dāng)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(shí)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(fēng)能和光伏混合動力系統(tǒng)集成，這進(jìn)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(shí)實(shí)現(xiàn)鋅和二氧化錳電極的最佳氧化還原化學(xué)反應(yīng)。”將MnO2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(yīng)在單細(xì)胞內(nèi)同時(shí)進(jìn)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。”
在未來，鐘教授和他的同事提出的新設(shè)計(jì)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(shí)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(jìn)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(shè)計(jì)上。
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