南开牛志强Angew: 一种基于Mn2+和质子共插层的水系锰离子电池

水系锰离子电池（MIBs）是很有前景的储能系统，因为锰金属具有丰度高、成本低、无毒、理论容量高和氧化还原电位低等独特优点。传统的MIB基于Mn²⁺ 存储机制，正极材料的容量通常受到限制，因为Mn²⁺在水系电解液中具有高电荷密度和较大的溶剂化离子半径。

在此，南开大学牛志强教授等人通过适当设计活性材料，在水系MIB中实现了质子插层。由于钒的多重氧化还原能力及其大的晶格间距，层状钒氧化物是水系 MIB的有前途正极材料。此外，中间层中的水合三价Al³⁺与V₂O₅层有很强的相互作用，可以在充放电过程中稳定层状结构。

因此，层状Al_0.1V₂O₅·1.5H₂O（AIVO）被用作水系MIB的活性材料。由纳米片组成的AlVO微花是通过一步水热法合成的，透射电子显微镜（TEM）元素映射图像和XPS光谱证实了AlVO的元素组成，可在AlVO纳米片中观察到Al、V和O元素。此外，热重分析（TGA）证实一个分子式单元中存在1.5个分子水。

图1. AlVO正极的储能机理

研究表明，该层状AlVO正极表现出相应的Mn²⁺和质子共插层/脱出机制。与传统的Mn²⁺存储机制不同，双载流子的共插层可以显著提高水系MIB的电化学性能，如高可逆容量、优异的倍率性能和稳定的循环性能。

此外，受益于这种质子插层化学，所构建的 Mn||AlVO电池同时表现出高放电电压和容量，有助于提高比能量（0.5 A g^-1时为 342 Wh kg^-1）和比功率（10.0 A g^-1时为 9764 W kg^-1）。这项工作将拓宽MIB的视野，并为提高水系MIB的电化学性能提供一条新途径。

图2. 水系Mn||AlVO电池的性能

Proton-Assisted Aqueous Manganese-Ion Battery Chemistry, Angewandte Chemie International Edition 2022. DOI: 10.1002/anie.202200809

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南开牛志强Angew: 一种基于Mn2+和质子共插层的水系锰离子电池

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