[发明专利]具有固-液-气反应的超稳定的可充电锰电池

说明书

可充电锰电池，其包括：(1)第一电极，其包括多孔、导电载体；(2)第二电极，其包括催化剂载体和置于催化剂载体上的催化剂；和(3)置于第一电极和第二电极之间的电解液，其支持第一电极处锰的可逆沉淀和溶解及第二电极处氢的可逆析出和氧化。

相关申请的交叉引用

本申请要求2017年5月31日提交的美国临时申请号62/513,373的权益，其内容通过引用以其全部并入本文。

关于联邦政府资助的研究或开发的声明

本发明是在政府的支持下根据能源部授予的合同DE-AC02-76SF00515进行的。政府拥有本发明的某些权利。

背景技术

全球能源消耗的不断增长驱动了可再生能源技术的发展以减少温室气体排放和空气污染。电化学能量存储设备，例如电池，对于实现可再生但间歇性的能源(例如太阳能和风能)不可或缺。迄今为止，已开展了不同的电池技术用于能量存储。锂离子电池已广泛地用于便携式电子设备中，然而应当显著地改善它们的安全性和长期可充电能力。水性可充电电池，与它们的有机可充电电池相比，在高功率输出、高安全性、和环境友好性方面具有显著优势。在过去的几十年，锰(Mn)基水性电池由于其地球丰度、低成本、环境友好性和高理论容量而变得引人注目。现有技术的锰锌电池在基于氧化锰的水性电池中占主导地位，然而它们容量低、可充电性差、和在锌阳极上遭受枝晶的形成。单电子转移电荷存储机制的低理论比容量(约308mAh/g)加上严重的初始容量衰退阻碍了Mn基电池作为高能量存储设备的更广泛实施。在阴极，固态MnO₂阴极溶解到电解液中引入了寄生损耗并且赋予典型Mn基电池不良的可逆性。尽管已证明多种添加剂，例如铋、铅、钛和镍改性的二氧化锰，降低活性MnO₂的损失和增强可充电性，但它们对电池稳定性的改善仍受到限制。在阳极，长期循环后不可避免形成锌枝晶导致了锌基电池的故障。因此非常期望开发具有高容量和长循环寿命的先进的水性可充电锰基电池。

在此背景下，出现了开发本公开内容的实施方式的需求。

发明内容

在一些实施方式中，可充电锰电池包括：(1)第一电极，其包括多孔、导电载体；(2)第二电极，其包括催化剂载体和置于催化剂载体上的催化剂；和(3)置于第一电极和第二电极之间的电解液，其支持第一电极处锰的可逆沉淀和溶解及第二电极处氢的可逆析出和氧化。

在一些实施方式中，可充电锰电池包括：(1)阴极，其包括多孔、导电载体；(2)阳极，其包括催化剂载体和置于催化剂载体上的催化剂；和(3)置于阴极和阳极之间并包括锰离子的电解液。

在一些实施方式中，制造可充电锰电池的方法包括：(1)提供第一电极，其包括多孔、导电载体；(2)提供第二电极，其包括催化剂载体和涂覆在催化剂载体上的催化剂；和(3)提供电解液，其支持第一电极处锰的可逆沉淀和溶解及第二电极处氢的可逆析出和氧化。

也可考虑本公开内容的其他方面和实施方式。前述发明内容和下列详细说明并不意欲限制本公开内容至任何具体实施方式而仅意欲描述本公开内容的一些实施方式。

附图说明

为了更好的理解本公开内容的一些实施方式的本质和目标，应参考下列结合附图的详细描述。

图1.具有两电子转移电荷存储机制的改善的锰电池的电池示意图。(A)现有技术MnO₂-Zn电池的配置。(B)改善的锰电池的配置。(C)在电池充电和放电模式下的电池的示意图。应指出示意图中呈现电解液中的阳离子(Mn²⁺和H⁺)而没有阴离子(SO₄^2-)。