中科大陈维ACS Energy Letters展望：高能水系锰金属负极- 大数跨境

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中科大陈维ACS Energy Letters展望：高能水系锰金属负极

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2024-03-15

导读：『水系锰电』中科大陈维ACS Energy Letters展望：高能水系锰金属负极

研究背景

水系电池被认为是平衡成本效益、安全性和能源功率需求的最有效储能技术之一。然而，水系电池的输出电压和能量密度目前是水系电池最大的短板，这也限制了水系电池的大规模应用。这主要是由于水的理论电化学稳定窗口较窄，缺乏合适的高电位高理论比容量材料所导致。水系锌金属负极是目前最为火热的水系金属负极，但是水系锌离子电池的能量密度和放电电位仍旧无法达到理想水准，这一方面和正极材料有关，但是水系锌负极电位不够低也有很大关系。电位更低的铝、镁等金属，受水系电解液电化学稳定窗口限制，副反应更为严重，在水系电解液中实现可逆沉积溶解的难度更大。而金属锰，沉积溶解电位位于铝金属和锌金属之间，并且具有7250 mAh cm^-3和976 mAh g^-1的高理论比容量，且物美价廉，是一种合适的金属负极材料。

此外，锰金属是在水溶液中可以通过电沉积大规模生产的电位最低的金属，目前工业上电流效率可以达到70%以上。这些结果也说明，锰金属有望作为水系金属负极，应用于水系电池体系中。而且近几年来，人们陆续报道了几篇有关于水系锰金属负极的工作，验证了水系锰金属电池有望成为新一代高压水系电池的可能性。

鉴于此，中国科学技术大学陈维教授课题组在ACS Energy Letters上发表观点类文章。讨论了水系锰金属负极的研究意义，并通过对水系锰金属的研究现状进行总结，批判性分析水系锰金属负极所面临的问题和关键挑战，并对水系锰金属负极的电化学研究方法进行推荐，最后，提出了水系锰金属负极未来发展的几个重要方向。本论文的第一作者是中国科学技术大学博士研究生王明明和孟亚寒。

图文导读

图1. 水系锰金属负极的研究意义。水系电池的优势(a)和不足(b)，锰金属负极和其他水系金属负极的氧化还原电位、理论比容量和离子半径对比(c)。

图2. 水系锰金属负极的关键问题。

图3. 水溶液中电沉积锰金属和水系锰金属电池的发展历史。

图4. 水系锰金属负极推荐的测试方法，以及水系锰金属负极理论上和目前现实中的电化学性能表现。

图5. 水系锰金属负极的未来发展方向展望。

结论

与被广泛报道的其他水系金属负极相比，水系锰金属负极目前是一片空白。作为水系电池领域的前沿课题，实现水系锰金属可逆沉积溶解十分困难，有许多挑战和障碍需要面对，但同时也蕴含着广阔的机会和可能性。正如水系锌金属负极的发展一样，通过对水系锰金属负极电极电解液界面的精准理解和合理设计，未来可能会有令人惊喜的突破。水系锰金属负极以及水系锰金属电池有可能将成为水系电池领域璀璨的一颗明珠，在各个领域展现出巨大的应用价值。

文章链接

An Energetic Aqueous Mn Metal AnodeMingming Wang, Yahan Meng, Yan Xu, Dongyang Shen, Peiyan Tong, and Wei Chen*ACS Energy Lett. 2024, 9, 1381–1388

https://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/acsenergylett.4c00103

通讯作者简介

陈维，中国科学技术大学应用化学系教授、博士生导师，合肥微尺度物质科学国家研究中心教授。2008年于北京科技大学获材料物理学士学位；2013年于阿卜杜拉国王科技大学获材料科学与工程博士学位；2014-2018年于斯坦福大学从事博士后研究工作；2018-2019年在EEnotech公司担任科学家；2019年7月入职中国科学技术大学，专注于大规模储能电池、电催化等研究。独立建组以来，作为(共同)通讯作者在Chemical Reviews, Nature Communications (2), Joule (2), Journal of the American Chemical Society (3), Angewandte Chemie International Edition (4), Advanced Materials (4), Energy & Environmental Science, Advanced Energy Materials (4), Advanced Functional Materials, Nano Letters (10), ACS Nano (2), ACS Catalysis, eScience (2), Energy Storage Materials (6) 等国际期刊发表学术论文60余篇，论文总被引12000余次，H因子53。研究成果获得美国专利5项，中国发明专利20余项。担任eScience, Nano Research Energy, Energy Materials Advances等多个杂志青年编委。

陈维课题组网页：http://staff.ustc.edu.cn/~weichen1

第一作者简介

王明明，中国科学技术大学应用化学系博士生，专注于开发新型水系金属离子电池。近年来，以第一作者(共同一作)在Angewandte Chemie International Edition (2), Advanced Materials, Energy & Environmental Science, Advanced Energy Materials, ACS Energy Letters, Nano Letters, eScience, Energy Storage Materials等期刊发表论文10余篇，论文总被引1000余次，H因子16。