张华民课题组：基于Mn2+/MnO2可逆双电子溶解-沉积型反应的锌锰液流电池

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中国科学院大连化学物理研究所储能技术研究部（DNL17）研究员李先锋、张华民团队开发出一种基于双电子转移、沉积-溶解型反应的锰基正极电对，并将上述电对应用于中性锌锰液流电池当中，大幅提高了电池的可靠性。该工作为开发新一代二次锰基电池提供了新思路。

　　锰基电池因资源储量丰富、成本低廉以及环境友好等优势受到广泛关注。但循环稳定性差等问题一直制约着锰基电池的发展。该团队提出的锰基电对以Mn(Ac)2作为活性物质，由于Ac-的配位作用，在充电过程中，Mn(Ac)2通过氧化反应以MnO2的形式沉积在电极上，在放电过程中溶解为Mn(Ac)2；与其它锰盐（MnSO4或MnCl2）部分或者全部生成Mn3+的机理完全不同，该反应可以完全避免Mn3+的歧化副反应问题，从而大大提高了电对的稳定性和可逆性。
　　上述MnO2/Mn2+反应实现的根本原因在于Mn(Ac)2生成MnO2的过程中伴随生成HAc，而HAc的吉布斯自由能远低于游离H+（MnSO4或MnCl2在电化学反应过程中生成H+），从而整体降低了该反应的电位，避免了Mn2+/Mn3+反应的发生。另外，与常见的锌离子电池的嵌入/脱出机理相比，溶解/沉积反应有效避免了正极在充放电过程中所发生的相变和结构坍塌等问题，从而大大提高了正极的稳定性。组装的中性锌锰液流电池测试结果表明，MnO2可以均匀地沉积在正极的碳纤维上，其面积容量可达20mAh/cm2，这是目前报道的最大值，并且MnO2在放电的过程中可以完全溶解，电化学反应的可逆性很高。与传统的碱性锌锰体系相比，中性电解液体系没有腐蚀性，并且还能有效地避免负极锌枝晶的问题。在电流密度40mA/cm2下，锌锰液流电池可以稳定地运行超过400次循环，并且库伦效率可达99%，能量效率可达78%。
　　相关研究成果发表于《能源环境科学》上，以上工作得到国家自然科学基金、中科院STS项目等支持。


       锌锰电池是以二氧化锰为正极，锌为负极，氯化铵水溶液为主电解液的原电池。俗称干电池。在学术界中又称为勒克朗谢电池。碱性锰电池是普通干电池的升级换代的高性能电池产品，有LR6(五号)和LR03(七号)两种产品电池。产品分普通型(含汞量0.60%)和微汞量(含汞量不大于0.025%)，现正在开展无汞型电池试制。


       李先锋，男，1979年7月生于山东沂水，中国科学院大连化学物理研究所，研究员，博士生导师。中组部“万人计划”青年拔尖人才，中科院卓越青年科学家获得者，辽宁省百千万人才工程“百层次”人才。大连化学物理研究所储能技术研究部部长，电池材料与关键技术研究组长。长期从事大规模电化学储能技术的研究开发工作。成果荣获包括“2015年国家技术发明二等奖”（排名3），中国科学院杰出科技成就奖（突出贡献者，排名2）、 “辽宁省技术发明二等奖”（排名第2）等科技奖励。获 “中国科学院卢嘉锡青年人才奖”，“第三届“中科院沈阳分院优秀青年科技人才奖”，“辽宁省青年科技奖”，等奖励。入选中组部青年拔尖人才计划，中国科学院卓越青年科学家项目、大连市杰出青年科技人才等。为首届中科院青年创新促进会会员，中国膜工业协会电驱动膜专业委员会委员，中国材料研究学会青年工作委员会理事。迄今为止共发表SCI论文100余篇，其中Energy & Environmental Science 6篇，Angew. Chem. Int. Ed 1篇， Advanced Functional Materials 2篇，Nano energy 1篇。迄今为止，论文他引次数2500余次， H 因子30。2015年开始担任“Scientific Reports”杂志编委。申报发明专利100余项，国际专利6项。授权20余项。作为负责人主持国家科技部973计划课题、国家自然科学基金，中组部青年拔尖人才计划项目、中科院重要方向性项目等多项项目与课题。


       张华民，国际知名的燃料电池和液流电池专家。中科院大连化学物理研究所首席研究员，博士生导师。大连融科储能技术发展有限公司副总经理、总工程师，国家发改委能源局“国家能源液流储能电池技术重点实验室”主任，国家发改委“液流储能电池技术国家地方联合工程研究中心”主任。能源行业液流电池标准化技术标准委员会主任委员、IEC/TC21 JWG7国际标准项目负责人, 负责液流电池国际标准的制定。2010年被聘为科技部973项目“大规模液流电池储能技术的基础研究”首席科学家。2014年入选科技部创新人才推进计划“科技创新创业人才”。2016年，入选中组部“万人计划科技创业领军人才”。
张华民发表学术论文380余篇。授权国家发明专利200余件，国际专利15件，主持制定燃料电池和液流电池标准10余项。研究成果荣获国家技术发明二等奖1项，中国科学院杰出科技成就奖1项，辽宁省企业重大成果奖1项，辽宁省技术发明一等奖2项，二等奖3项等奖项。