由於傳統化石燃料的供應正在耗盡，太陽能和風能等可再生能源被廣泛認為是解決潛在能源危機的替代品。然而，
可再生能源是間歇性的，為了將太陽能和風能納入電網，開發電能存儲技術至關重要。其中，可充電電池能夠解決其間歇性問題。但如今開發具有長壽命、高倍率、低成本的新型可充電電池系統是實現電網規模儲能的迫切需要。目前，通過電催化H2負極與過渡金屬氧化物/氫氧化物正極耦合，成功引入了一種用於電網規模化儲能的新的電池電化學。利用析氫和氧化反應(HER和HOR)控制的H2負極的低過電位、快速動力學和高穩定性的優點，錳氫和鎳氫電池的能量密度合理，充放電倍率高，循環壽命長，從而激勵探索新的電池系統。鋰過渡金屬氧化物由於具有較高的電化學電位和適中的容量，是鋰離子電池正極材料的最佳選擇。其中，尖晶石型鋰錳氧（LiMn2O4）是水和有機鋰離子電池中的一種特殊正極材料。然而，充放電倍率低和循環後的容量快速衰減阻礙了其在商用鋰離子電池中的廣泛應用。納米LMO的製備為提高鋰離子電池的功率密度提供了一種有效的途徑，然而，將商用LMO應用於高功率、穩定循環性能的電池具有很大的挑戰性。
近日，中國科學技術大學陳維教授和美國斯坦福大學崔屹教授（通訊作者）通過在Li2SO4電解質中將商用LMO正極與H2負極配對，首次開發了一種新型高倍率和長壽命的鋰錳氧化物-氫（LMO-H）電池體系，其放電電壓平臺為1.3V，在1C的倍率下實現83 mAhg-1的容量，50C的倍率下實現69.1mAh g-1的容量和長循環穩定性，這些特點都得益於HER/HOR氧化還原的快速動力學使得快速Li+嵌入/脫出。同時研究了LMO-H電池在不同電池條件下的電化學性能，展了LMO-H電池系統中的H2負極的重要性。相關論文以題為“A High-Rate Lithium Manganese Oxide-Hydrogen Battery ”剛剛被接收發表在Nano Lett.上。
論文鏈接
https://pubs.acs.org/doi/pdf/10.1021/acs.nanolett.0c00044
圖1. LMO-H電池充放電示意圖。原理圖中只有Li+和H2，負極為：負載有Pt/C的GDL，正極為LiMn2O4。
圖2. LMO 正極和Pt/C負極的表徵。（a-c）商業化的LMO粉末的SEM和TEM圖像與XRD圖譜；（d-f）商業化Pt/C粉末的SEM和TEM圖像與XRD圖譜。
圖3. LMO-H電池的電化學性能。（a）掃速為0.5mV s-1的CV曲線；（b） 0.5C時的充放電曲線；（c）不同倍率下的充放電曲線；（d）相對應的倍率循環性能；（e）LMO-H電池在10C放電電流下的循環性能。
圖4. LMO-H和LMO-C電池電化學性能的比較。（a）LMO-C電池在不同倍率下的循環性能；（b）LMO-H和LMO-C電池在5C放電倍率下的充放電曲線；（c）LMO-H和LMO-C電池在20C放電時的循環性能。
總之，本文首次報道了一種新的LMO-H可充電電池系統，它將商業LMO作為正極，塗覆Pt/C的氣體擴散層（GDL）作為負極，並通H2。由此構成的LMO-H電池展現了優異的電化學性能，更加重要的是，由於負極的HER/HOR的快速動力學，放電倍率可高達50C。LMO-H電池的H2負極對長循環性能具有較強的穩定性和可回收性。
此外，通過系統的電化學研究，揭示了LMO-H電池在不同電池條件下的儲能機理和高倍率性能。考慮到現代鋰離子電池中鋰過渡金屬氧化物的大量存在，目前LMO-H電池的成功開發，可以利用不同的鋰金屬氧化物設計更加先進的可充電氫電池，從而為發展鋰離子電池開闢一條新的途徑。（文：Caspar）
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