相比于傳統(tǒng)的有機(jī)體系電池，水系電池有著極高的安全性、較低的成本和高的能量密度，受到國(guó)內(nèi)外的高度關(guān)注，成為儲(chǔ)能和電池領(lǐng)域研究開(kāi)發(fā)的熱點(diǎn)。鋅基電池目前存在的問(wèn)題主要在于缺乏高效的雙功能催化劑電極材料，氧還原和析出反應(yīng)緩慢；電解質(zhì)穩(wěn)定性較差；充放電過(guò)程中容易產(chǎn)生鋅枝晶等。為了解決上述問(wèn)題，天津大學(xué)材料科學(xué)與與工程學(xué)院胡文彬教授團(tuán)隊(duì)聚焦鋅基電池存在的關(guān)鍵科學(xué)和技術(shù)問(wèn)題，從電極材料可控制備、新型電解質(zhì)開(kāi)發(fā)和電池設(shè)計(jì)等方面開(kāi)展了創(chuàng)新性研究，在新型水系鋅基電池、柔性可穿戴電池器件的研究與開(kāi)發(fā)取得了重要進(jìn)展。近年來(lái)，科研成果在Nature Energy, Nature Communications, AdvancedMaterials等國(guó)際頂級(jí)期刊發(fā)表學(xué)術(shù)研究論文三十多篇，授權(quán)發(fā)明專(zhuān)利20余項(xiàng)，多項(xiàng)鋅基電池關(guān)鍵技術(shù)已經(jīng)進(jìn)入產(chǎn)業(yè)化推廣階段。
新型水系鋅-錳電池的結(jié)構(gòu)以及工作機(jī)制示意圖
近期，團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新地提出了一種基于電化學(xué)冶金原理并利用電解質(zhì)去耦合策略，在電池中同時(shí)進(jìn)行酸性MnO2和堿性Zn可逆溶解/電沉積的儲(chǔ)能機(jī)制?；谶@一機(jī)制，可以突破傳統(tǒng)水系電池的低工作電壓瓶頸，將Zn–MnO2電池的工作電壓大幅提高至2.7V以上，并可顯著提升電池的能量密度和循環(huán)性能。此外，該策略也被證明適用于其他鋅基水系電池，如Zn–Cu和Zn–Ag電池。相比于傳統(tǒng)的基于離子插入/脫嵌機(jī)制的二次電池，這種新型水系鋅-錳電池可以幾乎100％利用MnO2的理論容量，并可獲得最高約2.8V的工作電壓，同時(shí)在深度放電情況下可獲得高的循環(huán)壽命。
可充放鋅錳電池在風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)中的應(yīng)用演示
為進(jìn)一步研究推廣并示范驗(yàn)證新型高安全性水系電池在規(guī)模儲(chǔ)能中的應(yīng)用，團(tuán)隊(duì)將這種Zn-MnO2電池與風(fēng)力發(fā)電和太陽(yáng)能發(fā)電裝置聯(lián)用，實(shí)現(xiàn)了清潔高效的能源利用，對(duì)緩解日趨嚴(yán)重的環(huán)境污染和優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)、保持可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。該項(xiàng)創(chuàng)新工作近期已在線發(fā)表在國(guó)際頂尖期刊Nature Energy上，受到了國(guó)內(nèi)外的高度關(guān)注，美國(guó)化學(xué)學(xué)會(huì)的新聞媒體C&ENs以“Greener batteries for grid storage”為題進(jìn)行了專(zhuān)門(mén)報(bào)道。
