随着可再生能源开发利用规模的不断扩大及智能电网产业的迅速崛起，储能技术的重要性日益凸显。在大规模储能领域，已经崭露头角的电池体系不少，包括锂离子电池、铅酸电池、流体电池、钠硫电池、液态金属电池等等。然而，这些电池不是能量密度偏低，循环寿命短，就是成本太高、工作条件苛刻，在实际应用方面还有很长的路要走。过去几十年来，水系锰（Mn）基电池由于其低成本、环境友好、高理论容量等优势而备受关注。然而，即便是目前最好的Mn-Zn电池，仍然还存在容量低，循环性能差，枝晶生长等一系列问题。 

　　有鉴于此，美国斯坦福大学崔屹教授课题组发明了一种低成本、长寿命、高能量密度的水系Mn-H电池，为大规模储能带来了新希望。相关研究成果“A manganese–hydrogen battery with potential for grid-scale energy storage”于4月30日在线发表在《自然·能源》期刊上（Nature Energy, 2018, DOI: 10.1038/s41560-018-0147-7）。 

　　图1. Mn-H电池，图来源：Nature Energy 

　　研究人员以多孔碳纤维带作为正极、Pt/C修饰的碳带作为负极，MnSO₄作为电解质，玻璃纤维作为隔膜。 

　　充电时：电解质中的Mn²⁺扩散并以MnO₂的形式沉积到正极，而负极上的Pt/C催化剂催化H₂O析出氢气。 

　　放电时：正极表面均匀沉积的MnO₂重新以Mn²⁺的形式溶解到电解质中；而H₂也经过Pt/C催化剂催化氧化变成H₂O。 

　　总体来说，电池正极（1）、负极（2）和全电池（3）发生的反应方程式如下： 　　  

　　研究表明，该电池放电电压为1.3 V左右，比率放电能力为100 mA cm^-2（放电只需36秒），充放电循环10000次而性能不发生明显衰减。在4 M MnSO₄电解液中，研究人员实现了质量能量密度约139 Wh kg^-1（理论约174 Wh kg^-1），体积能量密度约210 Wh l^-1（理论约263 Wh l^-1）。 

　　图2. Mn-H电池电化学性能，图来源：Nature Energy 

　　除此之外，研究人员还通过理论计算研究了电池充放电机理，并较为系统地研究了电池的自放电性能。研究人员还尝试利用2种电池结构构造探索了Mn-H电池在规模化应用前景，发现选用更厚、比表面积更大的碳或者柱状结构可以有效提高电池放大性能。 

　　研究人员认为，和之前的各种电池体系相比，这种M-H电池至少具有以下7大优势： 

　　1）这种M-H电池是在放电状态下组装，正极材料只有碳带，不需要MnO₂，减少制造工艺和成本。 

　　2）常规水系电池中令人头疼的Mn²⁺溶解问题，反而有助于电池稳定性和循环性。 

　　3）双电子反应赋予Mn-H电池高达616 mAh g^-1的理论容量，目前常规的单电子反应Mn基水系电池的理论容量才308 mAh g^-1。 

　　4）采用活性Pt/C催化剂修饰的高可逆氢电极作为负极，解决了常规负极循环差的问题。 

　　5）正负极快速的动力学反应确保电池高比率放电能力。 

　　6）Mn²⁺在水中的高溶解度赋予其高的理论能量密度。 

　　7）低成本原材料，确保电池体系可以规模化生产。 

　　虽然如此，该电池如果想要实现大规模储能实际应用，至少还需要解决三大问题： 

　　1）采用纳米结构的碳材料；2）采用更廉价的HER/HOR催化剂；3）自放电性能优化。 

　　（摘自 纳米人公众号）