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锌锰二次电池研究进展

来源期刊:材料导报2019年第19期

论文作者:李灵桐 臧晓蓓 曹宁

文章页码:3210 - 3218

关键词:锌锰二次电池;电极材料;电解液;柔性电池;

摘    要:随着能源供给与环境保护之间的矛盾日益尖锐,开发可再生、环境友好的新型绿色能源具有重要的意义。绿色能源多数具有时效性或地域局限性,需配备储能元件。二次电池作为重要的能源存储器件,已遍布生活的各个方面。其中,由金属锌(Zn)为负极、二氧化锰(MnO2)为正极、水系溶液为电解液组成的锌锰二次电池具有原材料资源丰富、绿色环保、成本低廉、理论容量高等优点,被认为是当前极具研究前景的高性能二次电池之一。MnO2是一种金属氧化物,属于半导体材料,为离子电池中常见的正极材料,但是其导电性较差(电导率为10-5~10-6S·cm-1),在充放电过程中存在较大的体积膨胀和收缩,并且易生成电化学惰性的低价锰氧化物,致使正极材料结构破坏,活性物质量降低,从而影响电池的电化学性能。同时,Zn负极热力学性质不稳定,易发生变形、枝晶、钝化、腐蚀问题,使Zn负极利用率降低或者电池短路。因此,锌锰二次电池的循环寿命、倍率性能和库伦效率等电化学性能仍难以满足实际应用需求。迄今为止,关于锌锰二次电池的研究工作,主要集中于通过改善正、负极活性材料、调整电解液成分、改进电池结构以提高电化学性能和扩大电池应用范围及储能机制的探索。相关研究表明,通过以下方法可以有效解决上述问题:(1)正极材料中,精细MnO2结构和复合掺杂改性可大大提高正极材料的电化学活性和导电性,进而获得较高的放电比容量;(2)负极材料中,通过掺杂可以有效地减少锌极的变形、枝晶、钝化、腐蚀问题的发生;(3)电解液中,温和的含Zn2+和Mn2+的中性盐溶液可同时应用于传统锌锰二次电池和柔性锌锰二次电池中,添加剂的掺入能有效抑制锌负极的腐蚀、枝晶、钝化,从而延长电池使用寿命;(4)电池结构上,通过改善电极活性物质、电解质及组装工艺获得不同形状的柔性锌锰二次电池,可更好地适用于狭窄和异形空间,大大拓宽电池的使用范围。本文从锌锰二次电池的工作原理出发,总结正负极活性物质、电解液、电池结构等方面的研究进展及研发过程中存在的主要问题。

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锌锰二次电池研究进展

李灵桐,臧晓蓓,曹宁

中国石油大学(华东)材料科学与工程学院

摘 要:随着能源供给与环境保护之间的矛盾日益尖锐,开发可再生、环境友好的新型绿色能源具有重要的意义。绿色能源多数具有时效性或地域局限性,需配备储能元件。二次电池作为重要的能源存储器件,已遍布生活的各个方面。其中,由金属锌(Zn)为负极、二氧化锰(MnO2)为正极、水系溶液为电解液组成的锌锰二次电池具有原材料资源丰富、绿色环保、成本低廉、理论容量高等优点,被认为是当前极具研究前景的高性能二次电池之一。MnO2是一种金属氧化物,属于半导体材料,为离子电池中常见的正极材料,但是其导电性较差(电导率为10-5~10-6S·cm-1),在充放电过程中存在较大的体积膨胀和收缩,并且易生成电化学惰性的低价锰氧化物,致使正极材料结构破坏,活性物质量降低,从而影响电池的电化学性能。同时,Zn负极热力学性质不稳定,易发生变形、枝晶、钝化、腐蚀问题,使Zn负极利用率降低或者电池短路。因此,锌锰二次电池的循环寿命、倍率性能和库伦效率等电化学性能仍难以满足实际应用需求。迄今为止,关于锌锰二次电池的研究工作,主要集中于通过改善正、负极活性材料、调整电解液成分、改进电池结构以提高电化学性能和扩大电池应用范围及储能机制的探索。相关研究表明,通过以下方法可以有效解决上述问题:(1)正极材料中,精细MnO2结构和复合掺杂改性可大大提高正极材料的电化学活性和导电性,进而获得较高的放电比容量;(2)负极材料中,通过掺杂可以有效地减少锌极的变形、枝晶、钝化、腐蚀问题的发生;(3)电解液中,温和的含Zn2+和Mn2+的中性盐溶液可同时应用于传统锌锰二次电池和柔性锌锰二次电池中,添加剂的掺入能有效抑制锌负极的腐蚀、枝晶、钝化,从而延长电池使用寿命;(4)电池结构上,通过改善电极活性物质、电解质及组装工艺获得不同形状的柔性锌锰二次电池,可更好地适用于狭窄和异形空间,大大拓宽电池的使用范围。本文从锌锰二次电池的工作原理出发,总结正负极活性物质、电解液、电池结构等方面的研究进展及研发过程中存在的主要问题。

关键词:锌锰二次电池;电极材料;电解液;柔性电池;

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