【儀表網 研發快訊】近日，秦皇島分校伊廷鋒教授團隊在水系鋅離子電池領域取得重要進展，研究成果“Unlocking the Critical Role of Cations Doping in MnO2 Cathode with Enhanced Reaction Kinetics for Aqueous Zinc Ion Batteries(揭示陽離子摻雜在 MnO2 正極中的關鍵作用—提升水系鋅離子電池的反應動力學)”發表在材料領域國際頂刊Advanced Functional Materials。秦皇島分校材料科學與工程專業博士研究生李桃桃為第一作者，伊廷鋒教授和四川大學張千玉副教授為論文通訊作者，東北大學為第一完成單位。
二氧化錳(MnO2)基水系可充電鋅離子電池(ZIBs)陰極具備良好的可持續性特點，正被考慮用于低成本、高安全性的儲能領域。然而，MnO2陰極因不可逆相變、錳溶解及低電導率等問題，循環壽命和容量受限。盡管摻雜金屬陽離子提升MnO2性能的手段已廣泛探索，但當前研究多集中于單一金屬陽離子比例的控制或與其他改性的協同效應上，對金屬陽離子存在及其調控MnO2電荷存儲機理的研究尚少。
摻雜金屬陽離子(Fe3+/Co2+) FMO/CMO 結構增強示意圖
基于此，該研究團隊采用表面活性劑輔助沉淀法制備了納米片狀δ-MnO2及其Fe3+和Co2+摻雜改性材料FMO和CMO，系統探究了摻雜對δ-MnO2電化學性能的影響。研究發現，摻入Fe3+能夠調節Zn2+/H+與MnO2結構之間的相互作用，減輕Zn2+插入引起的晶格應變，抑制ZnMn2O4副產物的形成。摻入Co2+能夠提高MnO2結構穩定性，促進Zn2+快速擴散，阻礙副產物形成。理論計算表明，在FMO和CMO中，相鄰的錳原子分別被Fe原子和Co原子取代。根據總態密度(TDOS)分析，FMO和CMO在費米水平附近的連續電子占據表明其具有很高的電子導電性。MnO2中引入Fe和Co能有效緩解離子插層與MnO2之間的強相互作用，有利于Zn2+/H+在MnO2層內快速轉移，而不會造成結構破壞。此外，Fe3+和Co2+的引入顯著改變了過渡金屬層的電荷分布，從而導致Fe和Co原子周圍的電荷減少，這表明電子供體對高容量的作用。該研究為Zn//MnO2電池的設計與性能提升提供了新的思路。
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