我所開發出基于Mn2+/MnO2可逆雙電子溶解-沉積型反應的鋅錳液流電池

  近日,我所儲能技術研究部(DNL17)李先鋒研究員、張華民研究員團隊開發出了一種基于雙電子轉移,沉積-溶解型反應的錳基正極電對;并將上述電對應用于中性鋅錳液流電池當中,大幅提高了電池的可靠性。該工作為開發新一代二次錳基電池提供了新思路。

  錳基電池因資源儲量豐富、成本低廉以及環境友好等優勢受到廣泛關注。但循環穩定性差等問題一直制約著錳基電池的發展。該團隊提出的錳基電對以Mn(Ac)2作為活性物質,由于Ac-的配位作用,在充電過程中,Mn(Ac)2通過氧化反應以MnO2的形式沉積在電極上,在放電過程中溶解為Mn(Ac)2;與其它錳鹽(MnSO4或MnCl2)部分或者全部生成Mn3+的機理完全不同,該反應可以完全避免Mn3+的歧化副反應問題,從而大大提高了電對的穩定性和可逆性。 

  上述MnO2/Mn2+反應實現的根本原因在于Mn(Ac)2生成MnO2的過程中伴隨生成HAc,而HAc的吉布斯自由能遠低于游離H+(MnSO4或MnCl2在電化學反應過程中生成H+),從而整體降低了該反應的電位,避免了Mn2+/Mn3+反應的發生。另外,與常見的鋅離子電池的嵌入/脫出機理相比,溶解/沉積反應有效避免了正極在充放電過程中所發生的相變和結構坍塌等問題,從而大大提高了正極的穩定性。組裝的中性鋅錳液流電池測試結果表明,MnO2可以均勻的沉積在正極的碳纖維上,其面積容量可達20mAh/cm2,這是目前報道的最大值,并且MnO2在放電的過程中可以完全溶解,電化學反應的可逆性很高。與傳統的堿性鋅錳體系體系相比,中性電解液體系沒有腐蝕性,并且還能有效地避免負極鋅枝晶的問題。在電流密度40mA/cm2下,鋅錳液流電池可以穩定的運行超過400次循環,并且庫倫效率可達99%,能量效率可達78%。

  相關研究成果發表于《能源環境科學》上,以上工作得到國家自然科學基金、中科院STS項目等支持。這也是獻禮我所七十周年所慶的文章之一。(文/圖 謝聰鑫)

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