《【Nature Communications】研究人员提高了可充电水基电池的性能》

  • 编译者: AI智能小编
  • 发布时间:2025-09-16
  • 阿尔伯塔大学化学与材料工程系开发了一种新型加压有机电极(POEs),实现了水系电池能量密度提升300%、充电速度提高2倍。通过使用水基电解质替代有机溶剂,不仅解决了锂电池易燃爆炸的问题,还使成本降低了40%。

    这一技术的核心创新在于电极材料设计上的多重性能提升:电子导电性达到传统水系电池的5倍、热稳定性突破120℃、机械强度提升了80%。实验室已经成功测试了纽扣电池(5cm3)和软包电池(20×15cm),其储能效率达到了锂电池的85%。

    该技术目标应用于电网级储能和电动汽车领域。研究成果发表在《自然-通讯》(Nature Communications, 2025),DOI: 10.1038/s41467-025-59892-y。

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    • 编译者:wukan
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    • 随着可再生能源开发利用规模的不断扩大及智能电网产业的迅速崛起,开发低成本、长寿命、高能量密度的电网级别储能技术显得意义重大。斯坦福大学Yi Cui教授课题组研究设计开发了全新的可充电的水基锰氢电池。研究人员以碳纳米带为正极、水基硫酸锰(MnSO4)为电解质和铂催化剂包覆的碳纳米带为负极组装成完整的水基锰氢电池。通过有限元分析模拟,发现电池的工作机理为:正极是可溶性Mn2+与MnO2固体之间循环双电子反应,负极则是在H2和H2O之间氧化还原循环反应。电化学性能测试显示,在10 mA cm–2恒电流充放电循环情况下,采用1摩尔的 MnSO4电解质时显示出明显的放电平台~1.2V,电池放电比容量为1 mAh cm–2,电池初始的库伦效率为62%,经过10次循环后升高至92%;而在电解质中额外添加0.05摩尔H2SO4溶液后,电池放电平台进一步提高50 mV,显示出更好的动力学行为,且电池的库伦效率达到了100%;而将充放电电流密度提高到100 mA cm–2,电池放电比容量依然保持1 mAh cm–2水平,表现出优异的高倍率性能,且经过10000多次的充放电循环后电池性能基本无衰减,展现出优秀的循环稳定性。另外,当MnSO4电解质浓度进一步提高到4摩尔后,电池质量能量密度可达~139 Wh kg–1(体积能量密度210 Wh L–1)。研究人员最后指出,电池是否足够优秀,自放电也是重要考虑的因素。新型锰氢电池的长期自放电行为表明,自放电80小时后可保持~1.25V的电位,但剩余容量仅为初始的~71%。下一步工作将致力于高效的集流体开发、电解液纯化、先进的气体管理等领域的研究,以进一步提高锰氢电池的自放电性能,提高放电比容量。该项研究设计制备了新型的低成本锰氢电池,实现了超万次的充放电循环,电池寿命在现有主要储能方式的基础上实现了一个数量级的提升,有望应用于大规模储能领域。相关研究工作发表在《Nature Energy》 。
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    • 来源专题:中国科学院文献情报先进能源知识资源中心 |领域情报网
    • 编译者:guokm
    • 发布时间:2019-06-05
    • 相比有机溶液电解质电池,水溶液可充电电池因其独特的资源、价格、安全性等优点,被认为是规模储能的理想选择之一。其中可充电的铁金属电池凭借极高的理论比容量、适当的反应电位、廉价丰富的资源等优点成为了水溶液可充电金属电池领域的研究热点。俄勒冈州立大学Xiulei Ji教授课题组系统研究了Fe金属在硫酸铁(FeSO4)水溶液中的电沉积行为,揭示了FeSO4电解液中Fe电镀/剥离的可逆性以及Fe2+在铁基普鲁士蓝衍生物中的可逆的嵌入和脱嵌行为,由此设计制备了一种低成本高性能的水溶液铁金属电池。铁金属作为电极,首先要确认该材料在电池循环过程是否具有良好的电镀/剥离的可逆性,为此研究人员组装三电极(两个Fe电极、一个铜电极)电池,并测试循环伏安曲线研究Fe金属在FeSO4水溶液中的电沉积行为。测试结果显示,发现Fe在沉积过程中具有~0.2 V的过电位,在剥离的过程中具有~0.05 V的过电位,Fe电镀和剥离的总极化约为0.25V,高于文献报道的Zn金属电池,表明Fe电镀和剥离具有更加优异稳定性能。在0.125 mA/cm2电流密度下进行恒电流循环测试,Fe/Fe对称电池可以稳定循环500小时后,平均库伦效率约为90%。拆解电池并对循环后的电极进行扫描电镜测试发现Fe电极沉积不形成枝晶,沉积形貌为大块的、密实的Fe颗粒,这是保障电池长时间稳定循环的关键所在。随后将Fe负极和具有三维多孔框架结构的Fe基普鲁士蓝衍生物Fe4[Fe(CN)6]3正极、FeSO4水溶液组装成完整的全电池,在1C(1C=60 mA/g)放电电流密度下进行循环测试,电池获得了60 mAh/g的比容量。而当提高放电电流到10C时候,电池依旧可以获得49 mAh/g的比容量,并且稳定循环1000余次后仍可保持80%的初始容量,平均库伦效率高达99.3%,展现出极其优异的循环稳定性。通过上述实验结果,研究人员总结了Fe4[Fe(CN)6]3||Fe电池的工作机理:在放电期间,Fe金属负极发送氧化变成Fe2+离子,随后释放到电解质中,通过扩散作用到达Fe4[Fe(CN)6]3电极并嵌入到晶格框架中,而在充电过程中,这种过程是相反的。为了探究Fe金属电极的普适性,研究人员进一步将Fe金属与其他嵌入型化合物电极组合,组装了Fe||(FeSO4+Li2SO4)||LiFePO4电池,在1C倍率下,该电池表现出~0.8 V的工作电压,获得155mAh/g的初始比容量,100次循环后仍可保持83%的初始容量,平均库伦效率96.4%,表现出类似的循环稳定性。该项研究系统地研究了FeSO4电解液中Fe电镀/剥离以及Fe2+在铁基普鲁士蓝衍生物中可逆的嵌入和脱嵌反应机理,从而构建出低成本高性能的水溶液铁金属电池,为设计开发高性能低成本的储能技术提供了新的技术方案。相关研究成果发表在《Advanced Functional Materials》。