2024年8月20日，北海道大學(xué)宣布，該校與東北大學(xué)、加州大學(xué)的聯(lián)合研究團隊成功實現(xiàn)了下一代蓄電池“水系鋅離子電池”的高能量化和高輸出化。

研究背景

目前，廣泛使用的鋰離子電池因其使用稀有金屬，資源枯竭可能導(dǎo)致供應(yīng)鏈風(fēng)險。此外，由于使用了易燃的電解液，安全性也受到關(guān)注，需要采取安全措施。

作為鋰離子電池的替代品，使用各種材料的下一代蓄電池正在被廣泛研究。其中，使用鋅金屬的蓄電池由于可以使用安全性高的水系電解液，并且在資源方面具有優(yōu)勢，被認為具有很大的發(fā)展?jié)摿Αｄ\電池包括鋅離子電池、鎳鋅電池和鋅空氣電池等種類。

研究進展

此次研究采用了弱酸性水系電解液的鋅離子電池。研究團隊通過“醇還原法”合成了以尖晶石型鋅錳復(fù)合氧化物（ZnMn₂O₄）為代表的超小納米粒子。這些合成的單顆粒平均大小為5納米，并成功將ZnMn₂O₄超小納米粒子負載到石墨烯的碳材料上，獲得了復(fù)合材料。

在對該材料的鋅離子電池正極特性進行評估時，確認了相當(dāng)于2電子反應(yīng)的充放電過程。該材料的能量密度達到了相當(dāng)于每千克600瓦時（Wh/kg），與鋰離子電池使用的正極活性物質(zhì)的能量密度相當(dāng)甚至更高。

開發(fā)材料基準(zhǔn)測試

(a)在高電壓下表現(xiàn)出較高的可逆容量和比現(xiàn)有材料更高的能量密度表現(xiàn)出某種程度

(b)在高功率操作條件下顯示高能量密度

此次研究中添加了過量的石墨烯，電極重量能量密度達到了約每千克370瓦時（Wh/kg）。如果未來能進一步改善這一點，將有望構(gòu)建能量密度達到或超過現(xiàn)有鋰離子電池且安全性更高的蓄電池。此外，通過改進電極結(jié)構(gòu)，有望實現(xiàn)超過1000次的長壽命循環(huán)。由于資源優(yōu)勢，預(yù)計還可以降低成本，因此這項研究有望推動下一代大型蓄電池的實用化。

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