Двойная роль диоксида марганца в аккумуляторной промышленности

В сухих цинк-марганцевых батареях, классических первичных батареях, диоксид марганца является основным катодным материалом, а также служит катализатором для подавления побочных реакций. Сухие цинк-марганцевые батареи подразделяются на кислотные и щелочные. В кислотных системах, таких как угольно-цинковые батареи, диоксид марганца (MnO2) действует как активный материал в реакции положительного электрода: MnO2 + H⁺ + e⁻ → MnO(OH). Эта реакция вместе с реакцией Zn-2e⁻ → Zn²⁺ на отрицательном цинковом цилиндре составляет общую реакцию батареи. В этом случае MnO2 играет центральную роль в преобразовании энергии, и его содержание напрямую влияет на емкость батареи. Однако в щелочных системах реакция положительного электрода становится MnO2 + H₂O + e⁻ → MnO(OH) + OH⁻. Щелочная среда способствует более эффективному восстановлению MnO₂, что обеспечивает более стабильное напряжение разряда. Это увеличивает ёмкость аккумулятора примерно на 30% по сравнению с кислотными системами, при этом коэффициент использования превышает 90%. Диоксид марганца не только служит активным электродным материалом, но и подавляет побочные реакции. Во время разряда аккумулятора цинк отрицательного электрода реагирует с электролитом с образованием H₂. Накопление H₂ может привести к повышению внутреннего давления аккумулятора, что может привести к утечке или взрыву. Диоксид марганца катализирует окисление H₂, превращая его в безвредную воду, обеспечивая тем самым безопасность аккумулятора. Кроме того, диоксид марганца обладает определённой проводимостью, что может снизить сопротивление переносу заряда в реакции положительного электрода, ускорить перенос электронов через поверхность электрода и повысить эффективность разряда.
Хотя диоксид марганца традиционно используется в первичных аккумуляторах, его применение во вторичных (перезаряжаемых) аккумуляторах также привлекает внимание благодаря таким методам модификации материалов, как наномасштабирование и формирование композитов. В цинк-марганцевых вторичных батареях, также известных как перезаряжаемые щелочные цинк-марганцевые батареи, диоксид марганца восстанавливается до MnO(OH)2 во время разряда. Во время зарядки MnO(OH)2 катализируется диоксидом марганца и окисляется обратно до MnO₂. Однако для улучшения обратимости необходимо добавление проводящих агентов, таких как технический углерод. В настоящее время путем легирования ионами металлов, такими как Co⁺ и Ni⁺, или создания слоистых структур, таких как δ-MnO₂, была улучшена стабильность батареи при циклировании, достигая срока службы циклов 50-100 циклов. В литий-ионных батареях диоксид марганца, особенно α-MnO₂ с его туннельной структурой, может использоваться в качестве легирующей фазы или материала покрытия в положительном электроде, улучшая ионную проводимость электрода. Коэффициент диффузии литий-ионов может достигать 10⁻⁷–10⁻⁹ см²/с, что повышает токоотдачу аккумулятора, а также его способность к быстрой зарядке и разрядке.
Диоксид марганца демонстрирует свою ключевую ценность в аккумуляторной промышленности благодаря своей двойной роли: «активный материал электрода + катализатор». В первичных аккумуляторах он играет ключевую роль в преобразовании энергии и подавляет побочные реакции. Во вторичных аккумуляторах структурная разработка может расширить его применение до перезаряжаемых систем. Он служит недорогим катализатором, заменяющим драгоценные металлы в новых аккумуляторах, таких как топливные элементы и металл-воздушные аккумуляторы. В будущем, благодаря постоянному развитию технологий модификации материалов, потенциал применения диоксида марганца в аккумуляторах высокой емкости и длительного срока службы будет еще больше раскрыт, особенно в области недорогих систем хранения энергии, где он обладает незаменимыми преимуществами.

Author: Hazel
Date: 2025-07-30