丹尼爾電池（銅鋅電池）發(fā)明于近兩個(gè)世紀(jì)前，但由于其不可充電的特性和有限的能量密度，一直被擱置一旁。然而，由于這種電池不需要稀土元素，而且是水系的，易于回收利用，因此特別具有可持續(xù)性。

圖1 銅金屬電極的沉積/剝離行為

武漢理工大學(xué)麥立強(qiáng)、安琴友、劍橋大學(xué)Michael De Volder等解決了丹尼爾電池的上述問題，使其適用于21世紀(jì)的儲能應(yīng)用。具體而言，首先，作者開發(fā)了基于Cu²⁺的電解質(zhì)和Zn金屬涂層，實(shí)現(xiàn)了Cu和Zn的可逆沉積/剝離，使丹尼爾電池具有可逆性。其次，作者采用陰離子交換膜（AEM）取代了鹽橋，以低過電位實(shí)現(xiàn)了丹尼爾電池1.1 V的標(biāo)準(zhǔn)輸出電壓。最后，作者采用小巧的1 Ah軟包電池取代了燒杯電池設(shè)計(jì)，以提高電池的容積性能。

此外，在第二種設(shè)計(jì)中，作者使用了帶有堿酸混合電解質(zhì)的雙極膜(BM)，將輸出電壓提高到1.56 V。這兩種電池都顯示出超穩(wěn)定的高工作電壓和出色的循環(huán)穩(wěn)定性，而且沒有引入非活性鹽。

圖2 AEM鋅銅電池的反應(yīng)機(jī)理及其在H型電池中的電化學(xué)性能

重新設(shè)計(jì)的全金屬電極電池具有眾多優(yōu)勢，包括：平坦的電壓平臺；出色的安全性；彎曲柔性；材料的可持續(xù)性；由于在設(shè)計(jì)中不使用稀土或有毒材料或電解質(zhì)，因此可直接回收利用。此外，全電池可在5 mAh cm^-2的高容量下穩(wěn)定運(yùn)行140次循環(huán)，并可在10 mAh cm^-2和20 mAh cm^-2的超高面積容量下穩(wěn)定運(yùn)行。

憑借出色的安全性能、優(yōu)越的電化學(xué)性能和材料的可持續(xù)使用，作者預(yù)計(jì)所提出的全金屬鋅-銅電池將為新的儲能系統(tǒng)奠定基礎(chǔ)，尤其對大規(guī)?？稍偕茉磧δ軕?yīng)用具有吸引力。

圖3 堿酸混合鋅銅電池的構(gòu)建和性能

Re-imagining the Daniell cell: Ampere-hour-level rechargeable Zn-Cu batteries. Energy & Environmental Science 2023. DOI: 10.1039/d3ee02786d