Nature子刊：崔屹团队发明可循环充电超万次锰氢气电池！

4月30日，在《自然》杂志旗下的《自然-能源》上刊发的一篇学术文章，引起全球能源界巨大关注。来自斯坦福大学的一项最新研究成果为大规模储能带来新希望。该校材料系著名华裔教授崔屹实验组发明的新型水电池——锰氢气电池(Mn-H)——可循环使用超过1万次!其低成本、长寿命、高能量密度的潜在性能将有望在大规模储能领域带来巨大变革。

崔屹实验室博士后研究员陈维展示电池原型（图片来自斯坦福官网）

一直鼓励新能源发展技术研发的诺贝尔奖得主、前美国能源部部长、现斯坦福大学教授朱棣文(Steven Chu)对上述研究成果的进一步完善充满期待。他表示，虽然精确的材料和设计仍需进一步研发，但这一原型展示了获得廉价、耐用的大规模储能电池的科学和工程新方法。

这个原型约3英寸高的新型锰氢气电池目前仅可产生大约20毫瓦时(mWh)的电量，这与挂在钥匙圈上的LED闪灯的能量水平差不多。尽管如此，实验人员相信，这个原创技术在进一步完善之后将有望在不久的将来实现大规模储能的产业化应用。

Mn-H电池电化学性能

按照目前美国能源部的建议，可用于大规模储能的电池需满足以下几个条件：在一小时内可充放的能量不低于20千瓦，至少能够支持5千次充放电，且使用寿命不短于10年。从实用角度来说，满足上述条件的电池其价格还不应高于2000美元，也就是存储每千瓦时能量的价格应低于100美元。

在大规模储能领域，为了达到这一目标，科学家们发展出了不少可称有效的电池体系，包括锂离子电池、铅酸电池、液流电池、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。

几种电池体系的主要受限因素包括，在能量密度上，铅酸电池只有30-50 Wh/kg，流体电池也<50 Wh/l；在循环寿命上，铅酸电池<500次，钠硫电池<1500次；在封装成本上，锂离子电池~250$/kWh，铅酸电池~170$/kWh，流体电池~450$/kWh；在工作温度上，钠硫电池要求300-350 ℃，液态金属电池要求>450 ℃。

而崔屹教授在三年前提出一个新构想——将锰和氢分别用作正负极，以水做电解质，在理论上应该能够实现大规模储能在能量密度、使用寿命和价格等多方面的严格要求。在崔屹教授指导下，其在斯坦福大学的中国籍博士后研究员陈维对此进行了长达三年多的探索和实验测试。陈维表示，对氢气电池装置和各项参数进行反复调试的实验做了不下1000次后，他们终于得到了一个优化的装置和测试条件，从而获得了优异的电池性能。这款新研发的电池可以在反复充放电10000次后依然没有明显衰变，电池寿命在现有主要储能方式的基础上实现了一个数量级的提升。

崔屹教授表示，技术还处于试验阶段，其课题组正在对实验原型进行进一步的优化，这些优化主要集中在两方面，一是提高电池的能量密度，二是降低电池的成本。比如，在早前实验中使用铂作催化剂，现在考虑找到更便宜的替代品。而在获得优化之后，课题组将继续进行相关中试和大规模试验。崔屹教授目前已经取得相关专利，并已经设立公司，筹备产业化。

在崔屹看来，全球大规模储能市场规模高达万亿美元，一旦Mn-H电池能够如预期实现产业化应用，那么将使得清洁能源入网更为稳定，并对社会经济发展带来重要促进。大到清洁能源电厂、小到居民小区和家庭用电都可能从中受益。另一方面，Mn-H电池的产业化应用也将可能使得电动汽车普及进一步逼近， Mn-H电池可以稳定电网为实现这一目标提供了可能性。

崔屹教授接受美国中文网采访（美国中文网官子俊摄）

崔屹（左）与学生在实验室

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。