可充电电池可以说是现今世界里最普通也最重要的工业产品，小到手机、平板电脑，大到电动汽车、宇宙飞船，都离不开不起眼的电池。另外，可充电电池也可用于太阳能、风能等可再生能源发电项目的大规模能量存储，以实现对电网的持续供电。不过目前常见的可充电电池包括锂离子电池、铅酸电池等，前者的成本高，后者能量密度不够高还对环境有污染，都不是最理想的储能选择。可充电锌锰电池（rechargeable zinc/manganese oxidebattery）成本低、能量密度和安全性都较高，但充放电循环性能却不能让人满意，往往几次充放电之后就不能继续工作。

最近，美国能源部（DOE）太平洋西北国家实验室（Pacific Northwest National Laboratory，PNNL）的Yuyan Shao和Jun Liu等人，深入研究了可充电锌锰电池循环稳定性差的原因，并最终提出了解决方案。他们在《Nature Energy》上报道的新型锌锰电池的充放电稳定性大幅提高，5000个循环后电池容量仅损失8%。（Reversible aqueous zinc/manganese oxide energy storage from conversion reactions. Nature Energy, DOI: 10.1038/nenergy.2016.39）

图片来源：PNNL

“可充电锌锰电池这个想法本身并不新鲜，但充放电稳定性一直是个大问题，”Liu说。研究人员用锌负极、氧化锰（MnO₂）正极和水基电解质构建了一个测试电池，果不其然，几次充放电后，这个电池就不能再工作了。为了找到原因，他们对电极和电解质材料进行了详细的化学和结构分析，结果却让他们很意外——锌在充放电过程中，并没有像预想的那样与二氧化锰相互作用。他们猜想，锌锰电池充放电背后的化学过程可能并不是预想中类似锂离子电池的嵌入/脱嵌，而可能类似传统的铅酸电池，发生可逆的化学转换反应。

研究人员们使用透射电子显微镜、核磁共振和X射线衍射等进一步深入研究，证实了他们的推测，电极的活性材料能够可逆地与水性电解质发生反应。锌锰电池正极中的锰会在充放电过程中从电极中溶出，使得电池的容量迅速降低，但他们还发现，一些锰溶解进入电解液之后，电池的存储容量会逐渐稳定下来，不过是在一个相当低的水平。Liu说，“我们的研究表明，电池发生故障，很可能是因为没能控制好锌锰储能系统内部的化学平衡。”

电化学过程中的氧化锰电极电镜图像

找到问题之后，解决问题的方法就显得简单，该团队通过提高初始电解质中的锰离子浓度来抑制正极中锰的溶出。新的测试中，他们的新电池使用α-MnO₂纳米纤维作为正极、锌为负极、优化过的硫酸锌（ZnSO₄）基溶液为电解质。这一次，测试电池在1.44 V工作电压下，电池容量达到285 mAh g⁻¹ (MnO₂)，5000个充放电循环后电池容量仍为初始容量的92%，并且锌负极也保持了高稳定性。

该小组将继续研究他们的锌锰电池，优化电解质，以期这种低成本、无毒、高性能的电池能早日产业化，实现在大规模能量存储中的广泛运用。

1. http://www.nature.com/articles/nenergy201639

2. http://www.pnnl.gov/news/release.aspx?id=4269