上海应用技术大学王欢、韩生团队， Small：用于Mn2+/MnO2反应的可焊接、低成本、高体积能量密度的石墨基电极

第一作者：胡泽芹

通讯作者：王欢*，苏建君*，韩生*

单位：上海应用技术大学，香港城市大学

为实现“双碳”目标，风能、太阳能等间歇性可再生能源的大规模利用亟需安全、低成本的大型储能技术。水系锌锰电池结合了高安全性、环境友好与低成本优势，成为极具前景的储能载体之一。其中，基于Mn²⁺/MnO₂沉积-溶解反应机制的电池，因其高比容量和循环稳定性而备受关注。该机制依赖于电解液中Mn²⁺在电极上的可逆沉积与溶解，因此电极需要具备高孔隙率与高比表面积以促进离子传输和反应进行。目前研究普遍采用高孔隙碳毡作为阴极载体，但其存在不可焊接、成本高昂及体积能量密度低等固有缺陷，严重制约了实际应用。开发可涂覆、易焊接的浆料涂覆型电极是突破上述瓶颈的可行路径。然而，如何设计并构建兼具优异导电网络、充足离子通道及高机械稳定性的低成本浆料涂覆型电极，仍是该领域面临的关键挑战。

近日，来自上海应用技术大学的王欢、韩生团队与香港城市大学的苏建君博士合作，在国际知名期刊Small上发表题为“A Weldable, Low-Cost Graphite-Based Electrode for Mn²⁺/MnO₂ Redox Chemistry with High Volumetric Energy Density”的研究论文。该工作针对Mn²⁺/MnO₂ 氧化还原电对在静态电池中的商业化应用，设计了一种可焊接、具有高体积能量密度、廉价的浆料涂覆型石墨基电极。该工作第一作者为上海应用技术大学研究生胡泽芹

目前文献中基于Mn²⁺/MnO₂ 的静态电池研究主要采用mm-厚的碳毛毡电极作为研究对象，其高孔隙率有利于Mn2+的传输。然而碳材料具有不可焊接性，在电极叠片或者卷绕时，无法焊接极耳制作电芯，不适合商业化应用。针对这个问题，本工作利用不锈钢作为集流体，通过激光焊接法实现了多片电极的焊接。本工作通过焊接两片9 μcm*11 cm的电极，制备了300 mAh的软包验证电池。

碳毛毡电极的高孔隙率以牺牲材料密度和比表面积为代价，其单位体积比表面积不足以为Mn²⁺/MnO₂的氧化还原反应提供足够的沉积位点。因此碳毛毡电极往往较厚（2-5mm），体积能量密度只有 60 Wh/L。本工作采用具有高比表面积的二维石墨为构建模块，为MnO₂ 沉积提供足够的活性位点。借助三维人造石墨打开二维石墨的堆叠结构，在电极内部构建了介孔和大孔，为Mn²⁺离子传输提供有效通道。工作电极的厚度仅为90-120 μm （其中包含20 μm不锈钢集流体），该电极体积能量密度可达150 Wh/L。综合考虑碳材料、粘结剂、不锈钢集流体，人工成本等，该电极的成本仅为碳毛毡的 6%。

A Weldable, Low-Cost Graphite-Based Electrode for Mn²⁺/MnO₂ Redox Chemistry with High Volumetric Energy Density”

韩生：国家二级教授，博士/博导，曾获“百千万人才工程”国家级人选、国家有突出贡献的中青年专家、国务院政府特殊津贴专家、“侯德榜”化工科技创新奖、上海市领军人才、上海市优秀技术带头人、上海市曙光学者、上海市首届杰出人才、上海市五一劳动奖章等荣誉。现担任上海应用技术大学化学与环境工程学院院长、党委副书记，上海市高校重点创新团队“绿色能源化工”负责人；组建石油和化工行业金属加工特种润滑技术工程研究中心和山东省高端特种油技术创新中心，并担任中心主任。主要从事精细石油化工、绿色能源化工、先进功能润滑等方面的研究。先后主持国家自然基金项目、上海市教委创新研发项目、上海市科技创新项目、中国石油、宝武钢铁等横纵向课题90余项。以第一或通讯作者在国内外期刊上发表研究论文390余篇（SCI收录330余篇）；累计申请中国发明专利200余项（授权180余项），主编/参编教材和专著4部。排名第一荣获省部级及行业协会科研成果奖励20余项，其中上海市科学技术奖4项（科技进步一等奖1项、二等奖2项和自然科学二等奖1项）、教育部优秀成果科技进步二等奖1项。

王欢：2020年博士毕业于瑞典乌普萨拉大学，随后在瑞典皇家理工学院和瑞典 Enerpoly AB公司从事水系锌锰电池的产业化研究。2024年加入上海应用技术大学，长期从事电化学机理和水系锌锰电池器件开发。以第一/通讯作者身份在Energy Storage Materials, Nano energy, Small, ACS applied materials interface 等学术刊物上发表多篇研究论文。至今已发表论文20余篇，被引用1000 余次，H因子14。

苏建君：2023年获得香港城市大学化学专业博士学位，导师叶汝全教授，随后在博士课题组从事博士后研究工作。主要从事分子催化剂的界面设计以及电催化性能方面的研究，共发表论文40余篇，其中第一/通讯作者9篇包括Nat. Catal.、EES、JACS、Angew、Materials Today等，总被引用2700余次，H因子26。担任Eco-energy, Nano Micro Letters, Materials Futures, cScience期刊的青年编委。