天津大學胡文彬團隊《自然·能源》:在水系鋅基電池領域取得重要研究進展

相比於傳統的有機體系電池,水系電池有著極高的安全性、較低的成本和高的能量密度,受到國內外的高度關註,成為儲能和電池領域研究開發的熱點。鋅基電池目前存在的問題主要在於缺乏高效的雙功能催化劑電極材料,氧還原和析出反應緩慢;電解質穩定性較差;充放電過程中容易產生鋅枝晶等。

為瞭解決上述問題,天津大學材料科學與與工程學院胡文彬教授團隊聚焦鋅基電池存在的關鍵科學和技術問題,從電極材料可控制備、新型電解質開發和電池設計等方面開展瞭創新性研究,在新型水系鋅基電池、柔性可穿戴電池器件的研究與開發取得瞭重要進展。近年來,科研成果在Nature Energy, Nature Communications, Advanced Materials, Advanced Energy Materials, Angew. Chem. Int. Ed.等國際頂級期刊發表學術研究論文三十多篇,授權發明專利20餘項,多項鋅基電池關鍵技術已經進入產業化推廣階段。

天津大學胡文彬團隊《自然·能源》:在水系鋅基電池領域取得重要研究進展

近期,團隊創新地提出瞭一種基於電化學冶金原理並利用電解質去耦合策略,在電池中同時進行酸性MnO2和堿性Zn可逆溶解/電沉積的儲能機制。基於這一機制,可以突破傳統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,並可顯著提升電池的能量密度和循環性能。此外,該策略也被證明適用於其他鋅基水系電池,如Zn–Cu和Zn–Ag電池。相比於傳統的基於離子插入/脫嵌機制的二次電池,這種新型水系鋅-錳電池可以幾乎100%利用MnO2的理論容量,並可獲得最高約2.8V的工作電壓,同時在深度放電情況下可獲得高的循環壽命

天津大學胡文彬團隊《自然·能源》:在水系鋅基電池領域取得重要研究進展
新型水系鋅-錳電池的結構以及工作機制示意圖
天津大學胡文彬團隊《自然·能源》:在水系鋅基電池領域取得重要研究進展
可充放鋅錳電池在風光互補發電系統中的應用演示

為進一步研究推廣並示范驗證新型高安全性水系電池在規模儲能中的應用,團隊將這種Zn-MnO2電池與風力發電和太陽能發電裝置聯用,實現瞭清潔高效的能源利用,對緩解日趨嚴重的環境污染和優化能源結構、保持可持續發展具有重要意義。該項創新工作近期已在線發表在國際頂尖期刊Nature Energy上,受到瞭國內外的高度關註,美國化學學會的新聞媒體C&ENs以“Greener batteries for grid storage”為題進行瞭專門報道。(Decoupling electrolytes towards stable and high energy rechargeable aqueous zinc–manganese dioxide batteries ,Nature Energy, doi:10.1038/s41560-020-0584-y,在線發表日期:MAR 2020,天津大學為唯一單位,鐘澄教授為第一作者)

論文鏈接

https://www.nature.com/articles/s41560-020-0584-y

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