​北化工孙晓明/南洋理工范红金EES：富空位Al掺杂MnO2正极平衡高性能水系锌离子电池动力学和稳定性

可充电水系锌离子电池（RAZIBs）由于其环境友好、安全性高、成本低，具有大规模储能的潜力。充电/放电动力学和稳定性之间的平衡一直是大多数正极材料的瓶颈，这阻碍了RAZIB的倍率性能和循环寿命。

在此，北京化工大学孙晓明，新加坡南洋理工大学范红金等人通过设计富空位和Al掺杂的MnO₂纳米片（Alx-MnO₂）电极打破了充电/放电动力学和稳定性之间的平衡，该电极是通过电化学氧化锰基层状双氢氧化物（MnAl-LDHs）合成的。电化学氧化过程中形成的丰富的Al阳离子空位为Zn离子的储存提供了三维扩散通道，剩余的Al原子通过抑制电池循环过程中Mn（III）O6多面体的Jahn–Teller畸变而有利于结构稳定性。

结果显示，通过使用优化的正极（Al0.1-MnO₂），RAZIB的倍率能力和稳定性自发增强。具体而言，该电池表现出大的比容量（0.2 A g⁻¹时为327.9 mAh g⁻¹）、优异的倍率性能（8 A g⁻²时为135.8 mAh g^–1）和高容量保持率（在1 A g⁻¹下1000次循环后为87%），超过了大多数报道的锰基和钒基正极材料。

图1. 电池性能

总之，该工作提出了一种富空位Al掺杂层状MnO₂(Al_0.1-MnO₂)电极作为锌离子电池的高性能正极，同时具有高倍率性能和循环稳定性。结果显示，Al_0.1-MnO₂电极在0.2 A g^-1时表现出327.9mAhg^-1的高比容量和出色的循环稳定性，该电极在1 A g^-1时1000次循环后的容量保持率为87%。

此外，它表现出优越的倍率性能，（8 A g⁻²时为135.8 mAh g^–1）和高容量保持率（在1 A g⁻¹下1000次循环后为87%）。研究表明，优异的电化学性能归因于MnO₂层基面上的Al³⁺阳离子空位，使Zn²⁺离子能够三维扩散，从而改善了离子输运动力学。

电化学氧化过程中形成的氧空位不仅可以提高 Zn²⁺的电子电导率，而且还为锌离子的储存提供了更多的活性位点。因此，该研究为正极材料的设计提供了一条新的途径。

图2. 机理研究

Vacancy-rich Al-doped MnO2 cathode breaks the trade-off between kinetics and stability for high-performance aqueous Zn-ion battery，Energy & Environmental Science 2023 DOI: 10.1039/d3ee01659e