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意外的发现带来更好的电池

时间: 2016年05月16日 | 作者: admin | 来源: 环球科学(huanqiukexue.com)
最近,研究者由一个意外发现,发明了一种新型可再充电的电池,其价格接近于传统车载电池,而能量密度则遥遥领先。


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美国太平洋西北国家实验室(PNNL)改进后的锌-二氧化锰(Zn-MnO2)水相电池具有价格低廉、环境友好的优点,可应用于可再生能源存储、电网支持等领域。

 

隶属于美国能源部的太平洋西北国家实验室(PNNL)的一个研究团队发现,锌-二氧化锰新型电池的工作原理与先前的猜想不同,该项发现促使这类电池成为能源存储领域的珍宝。描述该电池的文章发表发表在Nature Energy上。

 

“可再充电锌锰电池的想法并非我们首创;研究者从上世纪90年代开始就不断研究,尝试将锌锰电池作为锂离子电池的低价安全的替代品。”PNNL实验室成员刘俊是这篇论文的通讯作者,他说:“但这些电池通常在充放电几个循环之后就停止工作了。我们的研究表明,这类电池的失效原因可能是我们未能成功控制其内部的化学平衡。”

 

多年来,研究者将注意力集中于可再充电的锂离子电池,因而已经习惯于锂离子的来回穿梭了。锂离子电池是通过插层过程来存储与释放能量的,即锂离子在电极材料原子间的微观空隙中来回进出的过程。

 

这一概念在能量存储研究领域已经根深蒂固,以至于当PNNL实验室的科学家起初与华盛顿大学(University of Washington)合作研究锂电的低价安全替代品——锌-二氧化锰电池时,自然而然地猜想锌离子以类似的方式进出电池的电极。

 

在一连串的测试过后,该团队惊奇地发现,这类电池是以一种全然不同的机理工作的。不同于锌离子仅简单地插层移动的猜想,锌-二氧化锰电池内部在发生着可逆的化学反应,该化学反应将电池中的活性材料转化为全新的物质。

 

刘俊和同事之所以开始研究可再充电锌锰电池,是因为从理论上看,这类电池充满了吸引力。由于锌和锰的储量丰富、价格低廉,故这类电池拥有铅酸电池的低价的特点。此外,这类电池的能量密度能够领先于铅酸电池。PNNL实验室的科学家希望在深入探索锌-二氧化锰电池的内在机理之后,获得一类性能更好的电池。

 

因此,研究者们采用金属锌作负极,二氧化锰作正极,在正负极之间加入水相电解液,组装得到纽扣电池,并反复充放电以测试其性能。与之前的发现类似,电池在测试中很快失效了,在几个充电循环后便无法再存储能量。但这是为什么呢?

 

为了找出原因,首先,研究者们对电解液和电极材料进行了细致的化学分析与结构分析。出乎研究者们的意料,与他们预想不同,在电池充放电过程中没有任何证据证明锌与二氧化锰发生相互作用。这一意外发现让他们开始怀疑先前的猜想,电池内部究竟有没有发生简单的插层过程?或者有没有可能,锌锰电池与锂离子电池并不相似,而是更像传统的铅酸电池那样,依赖于化学转化反应?

 

为了更加深入了解这一过程,研究者们广泛采用了各种科学技术仔细地研究了电极,其中包括透射电子显微、核磁共振、X射线衍射等技术。该项研究使用的设备位于PNNL实验室与环境分子科学实验室(EMSL),EMSL是美国能源部科学办公室位于PNNL的用户装置。通过这些技术的表征,研究者们认为二氧化锰与水相电解液中的质子发生了可逆反应,从而产生了一种新物质——羟基硫酸锌。

 

通常来看,在数个循环过后,锌-二氧化锰电池的存储容量会大幅降低。这是由于电池正极上的锰开始剥落,使电池中的活性材料无法继续用于能量存储。而另一方面,尽管在部分锰溶入电解液后,电池的存储容量远远低于开始时,但此时电池逐渐开始稳定,存储容量也几乎不再发生变化。

 

该团队尝试应用上述研究得到的新认识,以避免正极上锰的剥落。根据电池内部发生的化学转化,研究者认为增加电解液中锰的初始浓度能够降低锰溶解的速率。

 

因此,研究者在电解液中加入了额外的锰离子,组装得到了新的电池,并对新电池进行循环测试。在这一轮测试中,电池在5000次循环后的存储容量达到了285mA/h-1·g-1,保留了初始存储容量的92%。

 

 “这项研究表明,要想提升锌-二氧化锰电池的性能,就需要控制化学转化反应过程中的平衡,”刘俊说,“总的来说,相比于锂离子电池与铅酸电池,锌-二氧化锰电池在今后被应用于大规模能源存储的可行性或许要更高。”

 

该研究团队将继续研究锌-二氧化锰电池的基本工作原理。鉴于他们已经了解了这类电池化学转化反应的产物,他们将进一步探索产生这些产物的各种中间过程。同时,他们也计划调整电池电解液来观察电解液变化对电池工作性能的影响。

 

翻译:王舟

审校:赵昌昊

 

原文链接:

https://www.sciencedaily.com/releases/2016/04/160418145631.htm