相比于傳統(tǒng)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(nèi)外的高度關(guān)注，成為儲能和電池領(lǐng)域研究開發(fā)的熱點。鋅基電池目前存在的問題主要在于缺乏高效的雙功能催化劑電極材料，氧還原和析出反應(yīng)緩慢；電解質(zhì)穩(wěn)定性較差；充放電過程中容易產(chǎn)生鋅枝晶等。為了解決上述問題，天津大學(xué)材料科學(xué)與與工程學(xué)院胡文彬教授團(tuán)隊聚焦鋅基電池存在的關(guān)鍵科學(xué)和技術(shù)問題，從電極材料可控制備、新型電解質(zhì)開發(fā)和電池設(shè)計等方面開展了創(chuàng)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(fā)取得了重要進(jìn)展。近年來，科研成果在Nature Energy, Nature Communications, AdvancedMaterials等國際頂級期刊發(fā)表學(xué)術(shù)研究論文三十多篇，授權(quán)發(fā)明專利20余項，多項鋅基電池關(guān)鍵技術(shù)已經(jīng)進(jìn)入產(chǎn)業(yè)化推廣階段。
新型水系鋅-錳電池的結(jié)構(gòu)以及工作機制示意圖
近期，團(tuán)隊創(chuàng)新地提出了一種基于電化學(xué)冶金原理并利用電解質(zhì)去耦合策略，在電池中同時進(jìn)行酸性MnO2和堿性Zn可逆溶解/電沉積的儲能機制?；谶@一機制，可以突破傳統(tǒng)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，并可顯著提升電池的能量密度和循環(huán)性能。此外，該策略也被證明適用于其他鋅基水系電池，如Zn–Cu和Zn–Ag電池。相比于傳統(tǒng)的基于離子插入/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，并可獲得最高約2.8V的工作電壓，同時在深度放電情況下可獲得高的循環(huán)壽命。
可充放鋅錳電池在風(fēng)光互補發(fā)電系統(tǒng)中的應(yīng)用演示
為進(jìn)一步研究推廣并示范驗證新型高安全性水系電池在規(guī)模儲能中的應(yīng)用，團(tuán)隊將這種Zn-MnO2電池與風(fēng)力發(fā)電和太陽能發(fā)電裝置聯(lián)用，實現(xiàn)了清潔高效的能源利用，對緩解日趨嚴(yán)重的環(huán)境污染和優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)、保持可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。該項創(chuàng)新工作近期已在線發(fā)表在國際頂尖期刊Nature Energy上，受到了國內(nèi)外的高度關(guān)注，美國化學(xué)學(xué)會的新聞媒體C&ENs以“Greener batteries for grid storage”為題進(jìn)行了專門報道。
