天津大學試驗室提出穩定、高能鋅錳電池的設計辦法

全球對可充電電池的需求在過去10年左右呈指數級上升，因為它們要為智能手機、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供應動力。為了更加有效地工作，可充電電池應當具有較高的能量密度，同時也應當是安全、穩定和環保的。

雖然鋰電池是目前最廣泛使用的可充電儲能系統之一，但它們含有易揮發的有機電解質，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，如鉛酸蓄電池和鋅錳電池。這些電池有許多優勢，包括安全性更高、加工成本更低。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出產技術教育部重點試驗室、天津復合材料與功能材料重點試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》雜志上發表的一篇論文中提出的辦法，是將電池內部的電解質解耦，從而在鋅和二氧化錳電極上實現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。”

鐘教授團隊發現，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，在繼續使用和充電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。值得留意的是，研究人員證明，用他們的辦法制造的電池也可以與風能和光伏混合動力系統集成，這進一步提高了電池的可繼續性。

鐘教授解釋說：“電解解耦策略的目的是同時實現鋅和二氧化錳電極的最佳氧化還原化學反應。”將MnO2陰極和Zn陽極的工作條件解耦，使酸性MnO2和堿性Zn氧化還原反應在單細胞內同時進行。由此得到的DZMB電池比傳統的堿性鋅錳電池具有更高的工作電壓和更長的循環壽命。”

在將來，鐘教授和他的同事提出的新設計策略可以用于加工新的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壽命。值得留意的是，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，我們將來的研究將聚集在不使用這種膜的解耦設計上。

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