近日，美國斯坦福大學的崔屹（通訊作者）等人，研發出一種新型的Mn-H二次電池，相關成果以“A manganese–hydrogen battery with potential for grid-scale energy storage”為題發表在Nature Energy上，第一作者為陳維博士。文章鏈接https://www.nature.com/articles/s41560-018-0147-7。在兩電極反應中，電池的正極是可溶的Mn2+和固態MnO2，負極材料是循環的H2和H2O。其中，H2和H2O是通過析氫和氧化的催化反應獲得。這個電池的放電電壓是~1.3 V，循環10000圈後容量沒有衰減。在4 M MnSO4電解液中，電池的質量能量密度為~139 Wh kg-1，體能量密度為~210 Wh l-1。Mn-H電池是價格低、原料豐富，並且具有大規模應用潛力的儲能設備。
包括鋰離子電池，鉛酸電池，氧化還原液流電池和液態金屬電池在內的電池有望成為電網規模的儲能設備，但它們還遠遠不能滿足電網的存儲需求，如成本低，循環壽命長，安全可靠和合理能源密度降低成本和佔地面積。在這裡，我們報道了一種可再充電的錳 - 氫電池，其中陰極在可溶性Mn2+與固體MnO 2之間以雙電子反應進行循環，陽極通過公知的氫釋放和氧化的催化反應在H 2氣和H 2 O之間循環。這種電池化學成分表現出〜1.3 V的放電電壓，100 mA cm-2的放電容量（放電36 s），壽命超過10,000次而不衰減。我們實現了〜139 Wh kg-1的重量能量密度（〜210 Wh l-1的體積能量密度），理論重量能量密度為〜174 Wh kg-1（體積能量密度為〜263 Wh l-1 ）在4M MnSO4電解質中。錳氫電池涉及低成本豐富的材料，並有可能擴大用於大規模儲能。
本文報道了一種全新的Mn-H二次電池。該體系電池採用氫氣作為負極，展現出優異的電化學性能潛力。其製作方法能夠促進高能量密度、快速充放電、超穩定電池在大規模能源器件的發展。作者之後將關注於高效電極材料的電池性能和電池價格的優化。Mn-H電池的成本將會隨著高活性、HER/HOR電催化的研究進一步降低。
陳維博士於2008年6月在北京科技大學獲得學士學位，2013年12月於沙特阿卜杜拉國王科技大學獲得博士學位。2014年4月至今在美國斯坦福大學從事博士後研究。從事納米材料的製備及其在電催化電化學儲能方面的應用研究。至今已發表文章34篇，獲得專利2個。
崔屹教授，1998年崔屹獲得中國科學技術大學理學學士學位；2002年在哈佛大學獲得博士學位；2003年在加州大學伯克利分校從事博士後研究；2004年入選世界頂尖100名青年發明家；2005年進入斯坦福大學材料科學與工程系任教，先後擔任助理教授、副教授、教授；2014年獲得首屆納米能源獎；2017年獲得布拉瓦尼克青年科學大獎之物質科學與工程技術獎。崔屹主要研究內容為納米材料在能量存儲、光伏器件、拓撲絕緣體、生物及環境等方向的應用。現為美國斯坦福大學材料科學與工程系終身教授，世界知名科學期刊《納米快訊》副主編，美國灣區光伏聯盟主任和電池500聯盟主任。崔教授目前領導一個55人的博士、博士後研究團隊，從事納米、新材料、新能源、環境保護和生物科學的研究。截止到2016年，崔屹在納米材料研究領域取得了開創性研究成果，在先後在包括Science、Nature、Nature Nanotechnology 、Nature Materials、Nature Communication、JACS等世界頂級期刊發表高水平科技論文330多篇，其研究團隊致力於納米、新材料、新能源、環境保護和生物科學的研究，在科技創新與成果轉化方面擁有豐富經驗，其創新性的研究成果和發明亦引起了工業界的關注。
Abstract：Batteries including lithium-ion, lead–acid, redox-flow and liquid-metal batteries show promise for grid-scale storage, but they are still far from meeting the grid's storage needs such as low cost, long cycle life, reliable safety and reasonable energy density for cost and footprint reduction. Here, we report a rechargeable manganese–hydrogen battery, where the cathode is cycled between soluble Mn2+ and solid MnO2 with a two-electron reaction, and the anode is cycled between H2 gas and H2O through well-known catalytic reactions of hydrogen evolution and oxidation. This battery chemistry exhibits a discharge voltage of ~1.3 V, a rate capability of 100 mA cm−2 (36 s of discharge) and a lifetime of more than 10,000 cycles without decay. We achieve a gravimetric energy density of ~139 Wh kg−1 (volumetric energy density of ~210 Wh l−1), with the theoretical gravimetric energy density of ~174 Wh kg−1 (volumetric energy density of ~263 Wh l−1) in a 4 M MnSO4 electrolyte. The manganese–hydrogen battery involves low-cost abundant materials and has the potential to be scaled up for large-scale energy storage.
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