第一作者：Wei
Chen
通讯作者：崔屹
第一单位：斯坦福大学（美国）
本文研究亮点：
1. 发明了一种低成本、长寿命、高能量密度的水系
Mn-H
电池，为大规模储能带来新希望。
2. 解决了
Mn-Zn
电池长期以来的金属
Zn
负极的枝晶等问题，使
Mn
基水系电池在大规模储能领域更进了一步。
3. 系统研究了
Mn-H
电池的储能机理，并在电池构造以及放大实验上进行了深入的探索。
可再生清洁能源自然是好的，譬如太阳能、风能。美中不足的是，太阳能和风能都属于间歇能源，一片云都可能影响太阳能面板发电的稳定性。因此，电池等电化学储能器件的研究，是非常必要的。
在大规模储能领域，已经崭露头角的电池体系不少，包括锂离子电池、铅酸电池、流体电池、钠硫电池、液态金属电池等等。然而，这些电池不是能量密度偏低，循环寿命短，就是成本太高、工作条件苛刻，在实际应用方面还有很长的路要走。
能量密度
铅酸电池：
30-50 Wh kg
-1
，流体电池：
<50 Wh l
-1
。
循环寿命
铅酸电池：
<500
次，钠硫电池：
<1500
次。
封装成本
锂离子电池：
~250$/kWh
；铅酸电池：
~170$/kWh
；流体电池：
~450$/kWh
工作温度
钠硫电池：
300-350
℃；液态金属电池：
>450
℃。
因此，除了在现有电池体系基础上进行改进，科学家还在不断探索新的电池体系，以期寻找一种低成本、高能量密度、长循环寿命的大规模储能方案。
图
1. Mn-Zn
电池
Huilin Pan, Yuyan Shao,
Jun Liu et al. Reversible aqueous zinc/manganese oxide energy storage from
conversion reactions. Nature Energy 2016, 1, 16039.
过去几十年来，水系
Mn
基电池由于其低成本、环境友好、高理论容量等优势而备受关注。然而，即便是目前最好的
Mn-Zn
电池，仍然还存在容量低，循环性能差，枝晶生长等一系列问题。
有鉴于此，斯坦福大学崔屹课题组发明了一种低成本、长寿命、高能量密度的水系
Mn-H
电池，为大规模储能带来了新希望！
图
2. Mn-H
电池
研究人员以多孔碳纤维带作为正极、
Pt/C
修饰的碳带作为负极，
MnSO
4
作为电解质，玻璃纤维作为隔膜。
充电时：
电解质中的
Mn
2+
扩散并以
MnO
2
的形式沉积到正极，而负极上的
Pt/C
催化剂催化
H
2
O
析出氢气。
放电时：
正极表面均匀沉积的
MnO
2
重新以
Mn
2+
的形式溶解到电解质中；而
H
2
也经过
Pt/C
催化剂催化氧化变成
H
2
O
。
总体来说，电池正极（
1
）、负极（
2
）和全电池（
3
）发生的反应方程式如下：
研究表明，该电池放电电压为
1.3V
左右，比率放电能力为
100 mA cm
-2
（放电只需
36
秒），充放电循环
10000
次而性能不发生明显衰减。在
4 M MnSO
4
电解液中，研究人员实现了质量能量密度约
139
Wh kg
-1
（理论约
174 Wh kg
-1
），体积能量密度约
210 Wh l
-1
（理论约
263 Wh l
-1
）
图
3. Mn-H
电池电化学性能
除此之外，研究人员还通过理论计算研究了电池充放电机理，并较为系统地研究了电池的自放电性能。研究人员还尝试利用
2
种电池结构构造探索了
Mn-H
电池在规模化应用前景，发现选用更厚、比表面积更大的碳或者柱状结构可以有效提高电池放大性能。
图
4.
两种类型电池
图
5.
两种类型电池的放大性能
