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水系錳離子電池（MIBs）是很有前景的儲能系統，因為錳金屬具有豐度高、成本低、無毒、理論容量高和氧化還原電位低等獨特優點。傳統的MIB基于Mn²⁺ 存儲機制，正極材料的容量通常受到限制，因為Mn²⁺在水系電解液中具有高電荷密度和較大的溶劑化離子半徑。

在此，南開大學牛志強教授等人通過適當設計活性材料，在水系MIB中實現了質子插層。由于釩的多重氧化還原能力及其大的晶格間距，層狀釩氧化物是水系 MIB的有前途正極材料。此外，中間層中的水合三價Al³⁺與V₂O₅層有很強的相互作用，可以在充放電過程中穩定層狀結構。

因此，層狀Al_0.1V₂O₅·1.5H₂O（AIVO）被用作水系MIB的活性材料。由納米片組成的AlVO微花是通過一步水熱法合成的，透射電子顯微鏡（TEM）元素映射圖像和XPS光譜證實了AlVO的元素組成，可在AlVO納米片中觀察到Al、V和O元素。此外，熱重分析（TGA）證實一個分子式單元中存在1.5個分子水。

圖1. AlVO正極的儲能機理

研究表明，該層狀AlVO正極表現出相應的Mn²⁺和質子共插層/脫出機制。與傳統的Mn²⁺存儲機制不同，雙載流子的共插層可以顯著提高水系MIB的電化學性能，如高可逆容量、優異的倍率性能和穩定的循環性能。

此外，受益于這種質子插層化學，所構建的 Mn||AlVO電池同時表現出高放電電壓和容量，有助于提高比能量（0.5 A g^-1時為 342 Wh kg^-1）和比功率（10.0 A g^-1時為 9764 W kg^-1）。這項工作將拓寬MIB的視野，并為提高水系MIB的電化學性能提供一條新途徑。

圖2. 水系Mn||AlVO電池的性能

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

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南開牛志強Angew: 一種基于Mn2+和質子共插層的水系錳離子電池

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