2024年8月20日，北海道大學宣布，該校與東北大學、加州大學的聯合研究團隊成功實現了下一代蓄電池“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，資源枯竭可能導致供應鏈風險。此外，由于使用了易燃的電解液，安全性也受到關注，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勢，被認為具有很大的發展潛力。鋅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，確認了相當于2電子反應的充放電過程。該材料的能量密度達到了相當于每千克600瓦時（Wh/kg），與鋰離子電池使用的正極活性物質的能量密度相當甚至更高。

開發材料基準測試

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

(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，將有望構建能量密度達到或超過現有鋰離子電池且安全性更高的蓄電池。此外，通過改進電極結構，有望實現超過1000次的長壽命循環。由于資源優勢，預計還可以降低成本，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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