相比于传统的有机体系电池，水系电池有着极高的安全性、较低的成本和高的能量密度，受到国内外的高度关注，成为储能和电池领域研究开发的热点。锌基电池目前存在的问题主要在于缺乏高效的双功能催化剂电极材料，氧还原和析出反应缓慢；电解质稳定性较差；充放电过程中容易产生锌枝晶等。
为了解决上述问题，天津大学材料科学与与工程学院胡文彬教授团队聚焦锌基电池存在的关键科学和技术问题，从电极材料可控制备、新型电解质开发和电池设计等方面开展了创新性研究，在新型水系锌基电池、柔性可穿戴电池器件的研究与开发取得了重要进展。近年来，科研成果在Nature Energy, Nature Communications, Advanced Materials, Advanced Energy Materials, Angew. Chem. Int. Ed.等国际顶级期刊发表学术研究论文三十多篇，授权发明专利20余项，多项锌基电池关键技术已经进入产业化推广阶段。
近期，团队创新地提出了一种基于电化学冶金原理并利用电解质去耦合策略，在电池中同时进行酸性MnO2和碱性Zn可逆溶解/电沉积的储能机制。基于这一机制，可以突破传统水系电池的低工作电压瓶颈，将Zn–MnO2电池的工作电压大幅提高至2.7V以上，并可显著提升电池的能量密度和循环性能。此外，该策略也被证明适用于其他锌基水系电池，如Zn–Cu和Zn–Ag电池。相比于传统的基于离子插入/脱嵌机制的二次电池，这种新型水系锌-锰电池可以几乎100％利用MnO2的理论容量，并可获得最高约2.8V的工作电压，同时在深度放电情况下可获得高的循环寿命。
新型水系锌-锰电池的结构以及工作机制示意图
可充放锌锰电池在风光互补发电系统中的应用演示
为进一步研究推广并示范验证新型高安全性水系电池在规模储能中的应用，团队将这种Zn-MnO2电池与风力发电和太阳能发电装置联用，实现了清洁高效的能源利用，对缓解日趋严重的环境污染和优化能源结构、保持可持续发展具有重要意义。该项创新工作近期已在线发表在国际顶尖期刊
Nature Energy上，受到了国内外的高度关注，美国化学学会的新闻媒体C&ENs以“Greener batteries for grid storage”为题进行了专门报道。（Decoupling electrolytes towards stable and high energy rechargeable aqueous zinc–manganese dioxide batteries，Nature Energy,doi:10.1038/s41560-020-0584-y，在线发表日期：MAR 2020，天津大学为唯一单位，钟澄教授为第一作者）
论文链接
https://www.nature.com/articles/s41560-020-0584-y
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来源：天津大学材料学院
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