全球?qū)沙潆婋姵氐男枨笤谶^(guò)去10年左右呈指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)，因?yàn)樗鼈冃枰獮橹悄苁謾C(jī)、筆記本電腦、平板電腦、智能手表和健身追蹤器等越來(lái)越多的便攜式電子設(shè)備提供動(dòng)力。為了更有效地工作，可充電電池應(yīng)該具有較高的能量密度，同時(shí)也應(yīng)該是安全、穩(wěn)定和環(huán)保的。

雖然鋰離子電池是目前最廣泛使用的可充電儲(chǔ)能系統(tǒng)之一，但它們含有易揮發(fā)的有機(jī)電解質(zhì)，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(zhì)的電池，如鉛酸電池和鋅錳電池。這些電池有許多優(yōu)點(diǎn)，包括安全性更高、生產(chǎn)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(xué)高級(jí)陶瓷與加工技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、天津復(fù)合材料與功能材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的研究人員最近提出了一種新的設(shè)計(jì)策略，可以提高鋅錳氧化物（Zn——MnO2）電池的性能。他們?cè)凇蹲匀荒茉础冯s志上發(fā)表的一篇論文中提出的方法，是將電池內(nèi)部的電解質(zhì)解耦，從而在鋅和二氧化錳電極上實(shí)現(xiàn)最佳氧化還原化學(xué)反應(yīng)。

研究人員之一鐘教授（音譯）表示：“我們的論文是在無(wú)意中完成的，當(dāng)我們用新電沉積的MnO2組裝堿性鋅錳電池時(shí)，MnO2表面有一些殘留的H2SO4。組裝的電池比傳統(tǒng)的Zn——MnO2電池顯示出更高的放電電壓，這鼓勵(lì)我們把東西剝離到基本的東西，為我們的研究奠定基礎(chǔ)。”

鐘教授團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，他們的解耦電解質(zhì)策略可以使開(kāi)路電壓為2．83V的Zn——MnO2電池性能更好。考慮到更傳統(tǒng)的Zn——MnO2電池的電壓通常為1．5V，這結(jié)果相當(dāng)有前途。

使用他們的電解解耦策略制造的電池，在連續(xù)使用和充電200小時(shí)后，電池容量?jī)H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。值得注意的是，研究人員證明，用他們的方法制造的電池也可以與風(fēng)能和光伏混合動(dòng)力系統(tǒng)集成，這進(jìn)一步提高了電池的可持續(xù)性。

鐘教授解釋說(shuō)：“電解解耦策略的目的是同時(shí)實(shí)現(xiàn)鋅和二氧化錳電極的最佳氧化還原化學(xué)反應(yīng)。”將MnO2陰極和Zn陽(yáng)極的工作條件解耦，使酸性MnO2和堿性Zn氧化還原反應(yīng)在單細(xì)胞內(nèi)同時(shí)進(jìn)行。由此得到的DZMB電池比傳統(tǒng)的堿性鋅錳電池具有更高的工作電壓和更長(zhǎng)的循環(huán)壽命。”

在未來(lái)，鐘教授和他的同事提出的新設(shè)計(jì)策略可以用于生產(chǎn)新的Zn——MnO2電池，這種電池成本低且安全，但同時(shí)具有極高的開(kāi)路電壓和更長(zhǎng)的循環(huán)壽命。值得注意的是，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(shuō)：“由于目前最先進(jìn)的離子選擇性膜的成本和性能仍不理想，我們未來(lái)的研究將集中在不使用這種膜的解耦設(shè)計(jì)上。

家用電器、電動(dòng)玩具、智能化家居用品、家用醫(yī)療健康電子儀器、無(wú)線(xiàn)安防設(shè)備、戶(hù)外電子設(shè)備、無(wú)線(xiàn)通訊設(shè)備等電子設(shè)備制造行業(yè)有望迎來(lái)新的發(fā)展機(jī)遇。與之相對(duì)應(yīng)的上游行業(yè)——鋅錳電池制造業(yè)或迎來(lái)強(qiáng)勁的市場(chǎng)需求。

鋅錳電池是以二氧化錳為正極，鋅為負(fù)極，氯化銨水溶液為主電解液的原電池。俗稱(chēng)干電池。電池性能符合國(guó)家行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，與國(guó)外電池性能相當(dāng)。由于能重負(fù)載，大電流放電，電容量大，低溫性能和防漏性能好，性能價(jià)格比高(價(jià)為干電池2-3倍，大電流工作電能是6-8倍)等優(yōu)點(diǎn)而廣泛用于民用和工業(yè)。

錳基電池因資源儲(chǔ)量豐富、成本低廉以及環(huán)境友好等優(yōu)勢(shì)受到廣泛關(guān)注。但循環(huán)穩(wěn)定性差等問(wèn)題一直制約著錳基電池的發(fā)展。業(yè)——鋅錳電池制造業(yè)或迎來(lái)強(qiáng)勁的市場(chǎng)需求。

前不久，中科院大連化物所開(kāi)發(fā)出了一種基于雙電子轉(zhuǎn)移，沉積-溶解型反應(yīng)的錳基正極電對(duì);并將上述電對(duì)應(yīng)用于中性鋅錳液流電池當(dāng)中，大幅提高了電池的可靠性。該工作為開(kāi)發(fā)新一代二次錳基電池提供了新思路。

該團(tuán)隊(duì)提出的錳基電對(duì)以Mn(Ac)2作為活性物質(zhì)，由于Ac-的配位作用，在充電過(guò)程中，Mn(Ac)2通過(guò)氧化反應(yīng)以MnO2的形式沉積在電極上，在放電過(guò)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(jī)理完全不同，該反應(yīng)可以完全避免Mn3+的歧化副反應(yīng)問(wèn)題，從而大大提高了電對(duì)的穩(wěn)定性和可逆性。

新型電解鋅錳電池商業(yè)化

澳大利亞阿德萊德大學(xué)(theUniversityofAdelaide)的研究人員與一家中國(guó)電池制造商簽訂了一份價(jià)值100萬(wàn)美元(約合701.96萬(wàn)元人民幣)的研究合同，將研發(fā)新電池技術(shù)，并在未來(lái)12個(gè)月內(nèi)將該技術(shù)推向市場(chǎng)。

該項(xiàng)專(zhuān)利設(shè)計(jì)會(huì)使用無(wú)毒的鋅和錳金屬(在澳大利亞儲(chǔ)量豐富)，以及不可燃的水電解質(zhì)以生產(chǎn)高能量密度的電池。研究人員估計(jì)，此種新型電解鋅錳電池的成本將低于10美元/kWh，相比之下，目前鋰離子電池的成本為300美元/kWh，鎳鐵電池為72美元/kWh，鉛酸電池為48美元/kWh。

研究人員于12月前開(kāi)始在南澳大利亞進(jìn)行該項(xiàng)目，在今年年初已經(jīng)獲得該技術(shù)的專(zhuān)利。中國(guó)電池制造商卓越新能源股份有限公司(ZhuoyuePowerNewEnergyLtd)承諾投資100萬(wàn)美元以研發(fā)該項(xiàng)新技術(shù)。目前，該公司生產(chǎn)的電池主要是鉛電池。

現(xiàn)在，研究人員將在阿德萊德進(jìn)行研究工作以及初步的產(chǎn)品開(kāi)發(fā)工作，預(yù)計(jì)會(huì)在澳大利亞和中國(guó)兩地生產(chǎn)此類(lèi)電池。研究人員表示，該項(xiàng)目將結(jié)合新的電解電池技術(shù)以及卓越新能源股份有限公司的電池組裝技術(shù)。此外，此種電池使用的是最基本的材料和簡(jiǎn)單的生產(chǎn)工藝，與現(xiàn)有能量密度相當(dāng)?shù)碾姵叵啾龋a(chǎn)成本更低，回收也更容易。

參考來(lái)源：OFweek鋰電網(wǎng)，長(zhǎng)江有色金屬網(wǎng)，能源界