第一作者：Wei Chen
通訊作者：崔屹
第一單位：斯坦福大學（美國）
研究亮點：
1. 發明了一種低成本、長壽命、高能量密度的水系Mn-H電池，為大規模儲能帶來新希望。
2. 解決了Mn-Zn電池長期以來的金屬Zn負極的枝晶等問題，使Mn基水系電池在大規模儲能領域更進了一步。
3. 系統研究了Mn-H電池的儲能機理，并在電池構造以及放大實驗上進行了深入的探索。
可再生清潔能源自然是好的，譬如太陽能、風能。美中不足的是，太陽能和風能都屬于間歇能源，一片云都可能影響太陽能面板發電的穩定性。因此，電池等電化學儲能器件的研究，是非常必要的。
在大規模儲能領域，已經嶄露頭角的電池體系不少，包括鋰離子電池、鉛酸電池、流體電池、鈉硫電池、液態金屬電池等等。然而，這些電池不是能量密度偏低，循環壽命短，就是成本太高、工作條件苛刻，在實際應用方面還有很長的路要走。
能量密度
鉛酸電池：30-50 Wh kg-1，流體電池：<50 Wh l-1。
循環壽命
鉛酸電池：<500次，鈉硫電池：<1500次。
封裝成本
鋰離子電池：~250$/kWh；鉛酸電池：~170$/kWh；流體電池：~450$/kWh
工作溫度
鈉硫電池：300-350 ℃；液態金屬電池：>450 ℃。
因此，除了在現有電池體系基礎上進行改進，科學家還在不斷探索新的電池體系，以期尋找一種低成本、高能量密度、長循環壽命的大規模儲能方案。
圖1. Mn-Zn電池
Huilin Pan, Yuyan Shao, Jun Liu et al. Reversible aqueous zinc/manganese oxide energy storage from conversion reactions. Nature Energy 2016, 1, 16039.
過去幾十年來，水系Mn基電池由于其低成本、環境友好、高理論容量等優勢而備受關注。然而，即便是目前最好的Mn-Zn電池，仍然還存在容量低，循環性能差，枝晶生長等一系列問題。
有鑒于此，斯坦福大學崔屹課題組發明了一種低成本、長壽命、高能量密度的水系Mn-H電池，為大規模儲能帶來了新希望！
圖2. Mn-H電池
研究人員以多孔碳纖維帶作為正極、Pt/C修飾的碳帶作為負極，MnSO4作為電解質，玻璃纖維作為隔膜。
充電時：電解質中的Mn2+擴散并以MnO2的形式沉積到正極，而負極上的Pt/C催化劑催化H2O析出氫氣。
放電時：正極表面均勻沉積的MnO2重新以Mn2+的形式溶解到電解質中；而H2也經過Pt/C催化劑催化氧化變成H2O。
總體來說，電池正極（1）、負極（2）和全電池（3）發生的反應方程式如下：
研究表明，該電池放電電壓為1.3V左右，比率放電能力為100 mA cm-2（放電只需36秒），充放電循環10000次而性能不發生明顯衰減。在4 M MnSO4電解液中，研究人員實現了質量能量密度約139 Wh kg-1（理論約174 Wh kg-1），體積能量密度約210 Wh l-1（理論約263 Wh l-1）
圖3. Mn-H電池電化學性能
除此之外，研究人員還通過理論計算研究了電池充放電機理，并較為系統地研究了電池的自放電性能。研究人員還嘗試利用2種電池結構構造探索了Mn-H電池在規模化應用前景，發現選用更厚、比表面積更大的碳或者柱狀結構可以有效提高電池放大性能。
圖4. 兩種類型電池
圖5. 兩種類型電池的放大性能
研究人員認為，和之前的各種電池體系相比，這種M-H電池至少具有以下7大優勢：
1）這種M-H電池是在放電狀態下組裝，正極材料只有碳帶，不需要MnO2，減少制造工藝和成本。
2）常規水系電池中令人頭疼的Mn2+溶解問題，反而有助于電池穩定性和循環性。
3）雙電子反應賦予Mn-H電池高達616 mAh g-1的理論容量，目前常規的單電子反應Mn基水系電池的理論容量才308 mAh g-1。
4）采用活性Pt/C催化劑修飾的高可逆氫電極作為負極，解決了常規負極循環差的問題。
5）正負極快速的動力學反應確保電池高比率放電能力。
6）Mn2+在水中的高溶解度賦予其高的理論能量密度。
7）低成本原材料，確保電池體系可以規模化生產。
雖然如此，該電池如果想要實現大規模儲能實際應用，至少還需要解決三大問題：
1）采用納米結構的碳材料
2）采用更廉價的HER/HOR催化劑
3）自放電性能優化
總之，這項研究發明為發明了一種低成本、長壽命、高能量密度的水系Mn-H電池，為電化學儲能器件在大規模儲能領域的應用添上了新的一筆。
Wei Chen, Guodong Li, Yi Cui et al. A manganese–hydrogen battery with potential for grid-scale energy storage. Nature Energy 2018.
