东北大学秦皇岛分校伊廷锋教授团队在水系锌离子电池领域取得重要突破

近日，秦皇岛分校伊廷锋教授团队在水系锌离子电池领域取得重要进展，研究成果“Unlocking the Critical Role of Cations Doping in MnO₂ Cathode with Enhanced Reaction Kinetics for Aqueous Zinc Ion Batteries（揭示阳离子掺杂在 MnO₂ 正极中的关键作用—提升水系锌离子电池的反应动力学）”发表在材料领域国际顶刊Advanced Functional Materials。秦皇岛分校材料科学与工程专业博士研究生李桃桃为第一作者，伊廷锋教授和四川大学张千玉副教授为论文通讯作者，东北大学为第一完成单位。

二氧化锰（MnO₂）基水系可充电锌离子电池（ZIBs）阴极具备良好的可持续性特点，正被考虑用于低成本、高安全性的储能领域。然而，MnO₂阴极因不可逆相变、锰溶解及低电导率等问题，循环寿命和容量受限。尽管掺杂金属阳离子提升MnO₂性能的手段已广泛探索，但当前研究多集中于单一金属阳离子比例的控制或与其他改性的协同效应上，对金属阳离子存在及其调控MnO₂电荷存储机理的研究尚少。

掺杂金属阳离子(Fe³⁺/Co²⁺) FMO/CMO 结构增强示意图

基于此，该研究团队采用表面活性剂辅助沉淀法制备了纳米片状δ-MnO₂及其Fe³⁺和Co²⁺掺杂改性材料FMO和CMO，系统探究了掺杂对δ-MnO₂电化学性能的影响。研究发现，掺入Fe³⁺能够调节Zn²⁺/H⁺与MnO₂结构之间的相互作用，减轻Zn²⁺插入引起的晶格应变，抑制ZnMn₂O₄副产物的形成。掺入Co²⁺能够提高MnO₂结构稳定性，促进Zn²⁺快速扩散，阻碍副产物形成。理论计算表明，在FMO和CMO中，相邻的锰原子分别被Fe原子和Co原子取代。根据总态密度（TDOS）分析，FMO和CMO在费米水平附近的连续电子占据表明其具有很高的电子导电性。MnO₂中引入Fe和Co能有效缓解离子插层与MnO₂之间的强相互作用，有利于Zn²⁺/H⁺在MnO₂层内快速转移，而不会造成结构破坏。此外，Fe³⁺和Co²⁺的引入显著改变了过渡金属层的电荷分布，从而导致Fe和Co原子周围的电荷减少，这表明电子供体对高容量的作用。该研究为Zn//MnO₂电池的设计与性能提升提供了新的思路。