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由于传统化石燃料的供应正在耗尽，太阳能和风能等可再生能源被广泛认为是解决潜在能源危机的替代品。然而，可再生能源是间歇性的，为了将太阳能和风能纳入电网，开发电能存储技术至关重要。其中，可充电电池能够解决其间歇性问题。但如今开发具有长寿命、高倍率、低成本的新型可充电电池系统是实现电网规模储能的迫切需要。目前，通过电催化H2负极与过渡金属氧化物/氢氧化物正极耦合，成功引入了一种用于电网规模化储能的新的电池电化学。利用析氢和氧化反应(HER和HOR)控制的H2负极的低过电位、快速动力学和高稳定性的优点，锰氢和镍氢电池的能量密度合理，充放电倍率高，循环寿命长，从而激励探索新的电池系统。 锂过渡金属氧化物由于具有较高的电化学电位和适中的容量，是锂离子电池正极材料的最佳选择。其中，尖晶石型锂锰氧（LiMn2O4）是水和有机锂离子电池中的一种特殊正极材料。然而，充放电倍率低和循环后的容量快速衰减阻碍了其在商用锂离子电池中的广泛应用。纳米LMO的制备为提高锂离子电池的功率密度提供了一种有效的途径，然而，将商用LMO应用于高功率、稳定循环性能的电池具有很大的挑战性。 近日，中国科学技术大学陈维教授和美国斯坦福大学崔屹教授（通讯作者）通过在Li2SO4电解质中将商用LMO正极与H2负极配对，首次开发了一种新型高倍率和长寿命的锂锰氧化物-氢（LMO-H）电池体系，其放电电压平台为1.3V，在1C的倍率下实现83 mAhg-1的容量，50C的倍率下实现69.1mAh g-1的容量和长循环稳定性，这些特点都得益于HER/HOR氧化还原的快速动力学使得快速Li+嵌入/脱出。同时研究了LMO-H电池在不同电池条件下的电化学性能，展了LMO-H电池系统中的H2负极的重要性。相关论文以题为“A High-Rate Lithium Manganese Oxide-Hydrogen Battery ”刚刚被接收发表在Nano Lett.上。 论文链接 https://pubs./doi/pdf/10.1021/acs.nanolett.0c00044 图1. LMO-H电池充放电示意图。原理图中只有Li+和H2，负极为：负载有Pt/C的GDL，正极为LiMn2O4。 图2. LMO 正极和Pt/C负极的表征。（a-c）商业化的LMO粉末的SEM和TEM图像与XRD图谱；（d-f）商业化Pt/C粉末的SEM和TEM图像与XRD图谱。 图3. LMO-H电池的电化学性能。（a）扫速为0.5mV s-1的CV曲线；（b） 0.5C时的充放电曲线；（c）不同倍率下的充放电曲线；（d）相对应的倍率循环性能；（e）LMO-H电池在10C放电电流下的循环性能。 图4. LMO-H和LMO-C电池电化学性能的比较。（a）LMO-C电池在不同倍率下的循环性能；（b）LMO-H和LMO-C电池在5C放电倍率下的充放电曲线；（c）LMO-H和LMO-C电池在20C放电时的循环性能。 总之，本文首次报道了一种新的LMO-H可充电电池系统，它将商业LMO作为正极，涂覆Pt/C的气体扩散层（GDL）作为负极，并通H2。由此构成的LMO-H电池展现了优异的电化学性能，更加重要的是，由于负极的HER/HOR的快速动力学，放电倍率可高达50C。LMO-H电池的H2负极对长循环性能具有较强的稳定性和可回收性。 此外，通过系统的电化学研究，揭示了LMO-H电池在不同电池条件下的储能机理和高倍率性能。考虑到现代锂离子电池中锂过渡金属氧化物的大量存在，目前LMO-H电池的成功开发，可以利用不同的锂金属氧化物设计更加先进的可充电氢电池，从而为发展锂离子电池开辟一条新的途径。（文：Caspar） |
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