|乔世璋教授AM：电池动力学不好？催化一下( 二 )

同步辐射原位XRD分析、非原位XPS分析证实MnO2/Mn2+电解过程；EELS及球差电镜分析证实Ni引入后对MnO2中Mn的价态及缺陷的影响。 MnO2以纳米枝叶状存在，大小为20 nm ，厚度仅为~2 nm 。这些也预示了此电解MnO2超高的电化学活性。

本文插图

同步辐射XANES谱学分析发现吸收边的偏移代表了Mn价态的变化，根据Emip可计算得到Ni参杂对价态及缺陷的影响。 EXAFS 拟合分析得知Ni引入后Mn-O及Mn-Mn键配位数降低及Mn O缺陷数增多。 DFT计算分析发现由于强电负性Ni的引入， O电子密度降低电荷局域减弱。 PDOS分析也同样证实了Ni引入后费米能级附近更活跃的电子态，这些会促进电解过程的电荷转移。反应路径分析发现Ni引入后，反应路径具有更低的反应势能面，更易吸附附近H质子进行电解反应，从而催化了整个电解过程。
这一发现不仅为电解电池的电荷存储机理提供了新的见解，还为高能量、可大规模新型水系电池发展提供了指导方向。在水系电池中引入催化概念，通过简便调控电解液引入少量阳离子方式，实现原子级掺杂来调控MnO2/Mn2+电解动力学，是解决含膜电池功率问题的一种有效方式。此外，根据作者保守估计，此电解 Zn-MnO2电池成本每千瓦时低于20美元。远远低于锂电池成本每千瓦时300美元，低于当前锌离子电池成本每千瓦时65美元，以及Ni-Fe电池的每千瓦时72美元，甚至铅酸电池的每千瓦时48美元。这样的成本优势和可操作性非常适合大规模的液流能量存贮，其中离子交换膜的成本还可进一步压缩。相信在不久的将来，在相关技术进一步完善之后，此第二代电解锌锰电池将有望实现大规模储能的产业化应用。
相关工作发表在Adv. Mater. 上。
Atomic Engineering Catalyzed MnO2 Electrolysis Kinetics for a Hybrid Aqueous Battery with High Power and Energy Density
Dongliang Chao, Chao Ye, Fangxi Xie, Wanhai Zhou, Qinghua Zhang, Q. Gu, Kenneth Davey, Lin Gu, Shi-Zhang Qiao
Adv. Mater.,2020, DOI: 10.1002/adma.202001894
导师介绍
乔世璋
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