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(fā)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(yè)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(xù)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(huán)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(xié)同效應上，對金屬陽離子存在及其調(diào)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(tǒng)探究了摻雜對δ-MnO₂電化學性能的影響。研究發(fā)現(xiàn)，摻入Fe³⁺能夠調(diào)節(jié)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(chǎn)物的形成。摻入Co²⁺能夠提高MnO₂結構穩(wěn)定性，促進Zn²⁺快速擴散，阻礙副產(chǎn)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(jù)總態(tài)密度（TDOS）分析，F(xiàn)MO和CMO在費米水平附近的連續(xù)電子占據(jù)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(nèi)快速轉移，而不會造成結構破壞。此外，F(xiàn)e³⁺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。