Advanced Materials:乔世璋教授:原子工程催化水系电池动力学

水系电池由于其低成本和高安全优势是未来能源存贮领域的重要发展方向。据估算,水系锌电池成本可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。在锌离子电池中,Mn基材料具有相对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。通过Zn2+/H+取代/嵌入共反应的氧化还原过程,可产生理论容量为308 mAh/g,及电压1.2-1.4 V。2019年4月乔世璋教授课题组报道的“第一代2.0 V电解锌锰电池”体系(Angew. Chem. Int. Ed., 2019, 58, 7823-7828),已取得了一系列进展并正在进行产业化发展,但其单体电池电压仍局限在2.0 V以下。进一步低成本地拓展水系电池电压窗口及能量,仍然很困难。总结前人在含膜液流电池中的经验,及其它更低电位的选择,大家不难想到添加选择性离子膜的方式,来引入更低锌电位从而进一步提高水系锌锰电池电压。但是选择性离子膜引入后,会产生严重的动力学滞后、功率密度降低等问题,这会严重阻碍此项技术的产业化发展。

澳大利亚阿德莱德大学乔世璋教授团队和合作者针对这一问题利用强电负性Ni的引入,增强费米能级附近更活跃的电子态,促进电解过程的电荷转移。使得反应路径具有更低的反应势能面,更易吸附附近H质子进行电解反应,从而催化了整个电解过程。相关结果发表在Advanced Materials(DOI: 10.1002/adma.202001894)上。

第二代锌锰电解电池的意义简述如下:

  • 理论上:在水系电池中引入催化概念,通过简便调控电解液引入少量阳离子方式,实现原子级掺杂来调控MnO2/Mn2+电解动力学,提出解决含膜电池功率问题的一种思路;
  • 性能方面:实现了高水系电池窗口3.4 V及放电平台2.44 V的同时,获得功率密度~19 KW/kg及能量密度~650 Wh/kg的水系电池(计算考虑正极及负极质量);
  • 成本分析:此第二代锌锰电解电池由地球储量丰富的Zn、Mn元素组成,类似于液流体系,原则上可不需要预先制备正负极材料。根据计算,成本大约US$ 20 per 1 kWh,远远低于锂电池的成本US$ 300 per 1 kWh,低于当前Ni-Fe电池的US$ 72 per 1 kWh,甚至铅酸电池的US$ 48 per 1 kWh。这样的成本优势和可操作性非常适合大规模的液流能量存贮。成本方面离子交换膜的成本还有待进一步压缩。
  • 此含膜锌锰电解电池体系可进行多种后续拓展,如液流模式。体系的电解液浓度控制及阴阳离子等引入、离子交换膜、大规模组装等也岑待优化。