锰电池容量暴涨409%：中国团队用“半固态浆料”破解储能瓶颈

中国团队开发出一种浆料，使锰电池容量提升409%。该方法大幅提高了容量：采用4摩尔（M）MnO₂的浆料混合体系实现了3.76 M的可溶性锰浓度。

中国研究人员开发出一种新策略，用于提高锰基半固态电池系统的容量。

上海大学的科学家表示，使用新方法后，当他们改用二氧化锰（MnO₂）半固态浆料电解质时，电池容量相较已报道的硫酸锰（MnSO₄）基电解质基准提升了409%。

即使在更高电流密度下运行这些系统时，也观察到了容量的显著提升。

研究人员表示，这些改进可能使此类系统成为大规模储能系统的合适候选方案。

传统锰电池系统的瓶颈

传统锰基系统一直是电池材料的首选，因为锰环境安全、成本低且储量丰富。但传统的氧化还原型电池在电解质中的溶解度有限，限制了其可储存的能量。

替代性的固态MnO₂可以克服这一挑战，因为它提高了活性材料含量。然而，这类半固态液流电池通常无法按期望速度快速充电或放电，因为化学反应发生缓慢。这使其不适合在高充放电速率下运行。

为克服传统锰基系统的两大局限，该团队没有仅依赖溶解的锰盐，而是在电解质中加入固态MnO₂。研究报道称，这使电化学反应路径发生了轻微变化。

研究人员说：“在放电过程中，固态MnO₂被电化学转化为可溶性Mn²⁺，使电池能够利用更多活性材料，而不受初始溶解度限制的约束。”

锰固体提升容量

这种提高活性锰数量的创新方法有助于减弱影响硫酸电解质、限制其溶解度的同离子效应。

该方法大幅提高了容量：采用4摩尔（M）MnO₂的浆料混合体系实现了3.76 M的可溶性锰浓度。根据该研究，这使电池的储能容量提高到156.2安时每升（Ah L⁻¹），相较作为基准的MnSO₄基电解质提升了409%。

这些新型电池系统在更高电流密度下的性能也得到了增强。研究报道称，在相同浆料浓度下，当施加30毫安每平方厘米（mA cm⁻²）的电流密度时，电池储能容量仍保持在151 Ah L⁻¹以上。在上述电流密度下，其保持的能量效率超过71%。

研究人员表示，这些运行电流条件是此前报道的MnO₂基半固态氧化还原液流电池的30倍，表明高活性材料负载量不一定以牺牲反应速率为代价。

研究人员还发现了该电池随时间推移性能更好的原因。

在充电过程中，电池内的MnO₂会转变为反应活性更高的形态，从而加速储存和释放能量所需的化学反应。这种转变使电池能够在更高充放电速率下高效运行，同时保持高储能容量。

在实验室测试中，使用1 M MnO₂浆料的电池完成了100次充放电循环，库仑效率约为99%，能量效率为76%。不过，研究人员表示，还需要进一步工作来减少由锰穿梭和颗粒堆积造成的容量损失。

研究结果发表在《Nano-Micro Letters》上。

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