​北理吴川Angew：聚合物插层δ-MnO2实现高性能Zn-MnO2电池

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​北理吴川Angew：聚合物插层δ-MnO2实现高性能Zn-MnO2电池
层状二氧化锰(δ-MnO2)由于具有优异的理论容量、较高的工作电压和Zn2+/H+共插层机理，是水系锌离子电池(ZIB)极具前景的正极材料。然而，由于Zn2+的加入，导致材料的库仑相互作用强，扩散动力学缓慢，导致结构变形明显，循环稳定性不足。
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在此，北京理工大学吴川团队提出了具有最先进ZIBs性能的聚乙烯吡咯烷酮（PVP）预插层（PVP-MnO2）平台状δ-MnO2杂化超晶格。局部原子结构表征和理论计算表明，杂化超晶格引发的电子熵刺激和选择性H+Grotthuss-like插层协同作用方面处于领先地位。
因此，PVP-MnO2杂化超晶格具有突出的比容量(在0.125 A g-1时为317.2 mAh g-1)，显著的倍率性能(在12.5 A g-1时为106.1 mAh g-1)，以及在高倍率下显著的循环稳定性(在10 A g-1下循环20,000次后容量保持在100%)。
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图1. 结构表征
总之，该工作通过层间工程成功制备了具有显著扩展(001)晶面的PVP插层MnO2杂化超晶格，在Zn2+/H+共插入过程中，电子熵和选择性质子Grotthuss插层可被调控。电子熵的增加会引发更多的t2g-eg跃迁，从而获得更好的反应活性，而选择性质子Grotthuss插层行为则源于杂化超晶格结构和优化的电荷分布。
特别是，合适的H+输运能垒和抑制了与Zn2+的Columbic相互作用，赋予了质子快速动力学，并提高了循环稳定性。在这种协同作用下，电化学性能测试表明，由于PVP的插层作用，具有较高的比容量（在0.125A/g时为317.2mAh/g）、倍率性能大大提高（在12.5A/g时为106.1mAh/g）、出色的循环稳定性（在10A/g下循环20000次后容量保持率几乎达到100%），这有利于提高功率密度（最大功率密度达到12000W/kg）和能量密度（最大能量密度为500Wh/kg）。因此，层间结构的合理设计对先进Zn-MnO2电池用MnO2正极的开发具有指导意义。
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图2. 电化学性能
Hybrid Superlattice-Triggered Electron-Entropy Stimulation and Selective Proton Grotthuss-Intercalation in Polymer-Intercalated δ-MnO2 for High-Performance Zn−MnO2 Battery， Angewandte Chemie International Edition 2023 DOI: 10.1002/anie.202313163

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