可充電水系鋅離子電池（RAZIBs）由于其環(huán)境友好、安全性高、成本低，具有大規(guī)模儲(chǔ)能的潛力。充電/放電動(dòng)力學(xué)和穩(wěn)定性之間的平衡一直是大多數(shù)正極材料的瓶頸，這阻礙了RAZIB的倍率性能和循環(huán)壽命。

在此，北京化工大學(xué)孫曉明，新加坡南洋理工大學(xué)范紅金等人通過(guò)設(shè)計(jì)富空位和Al摻雜的MnO₂納米片（Alx-MnO₂）電極打破了充電/放電動(dòng)力學(xué)和穩(wěn)定性之間的平衡，該電極是通過(guò)電化學(xué)氧化錳基層狀雙氫氧化物（MnAl-LDHs）合成的。電化學(xué)氧化過(guò)程中形成的豐富的Al陽(yáng)離子空位為Zn離子的儲(chǔ)存提供了三維擴(kuò)散通道，剩余的Al原子通過(guò)抑制電池循環(huán)過(guò)程中Mn（III）O6多面體的Jahn–Teller畸變而有利于結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。

結(jié)果顯示，通過(guò)使用優(yōu)化的正極（Al0.1-MnO₂），RAZIB的倍率能力和穩(wěn)定性自發(fā)增強(qiáng)。具體而言，該電池表現(xiàn)出大的比容量（0.2 A g^?1時(shí)為327.9 mAh g^?1）、優(yōu)異的倍率性能（8 A g^?2時(shí)為135.8 mAh g^–1）和高容量保持率（在1 A g^?1下1000次循環(huán)后為87%），超過(guò)了大多數(shù)報(bào)道的錳基和釩基正極材料。

圖1. 電池性能

總之，該工作提出了一種富空位Al摻雜層狀MnO₂(Al_0.1-MnO₂)電極作為鋅離子電池的高性能正極，同時(shí)具有高倍率性能和循環(huán)穩(wěn)定性。結(jié)果顯示，Al_0.1-MnO₂電極在0.2 A g^-1時(shí)表現(xiàn)出327.9mAhg^-1的高比容量和出色的循環(huán)穩(wěn)定性，該電極在1 A g^-1時(shí)1000次循環(huán)后的容量保持率為87%。

此外，它表現(xiàn)出優(yōu)越的倍率性能，（8 A g^?2時(shí)為135.8 mAh g^–1）和高容量保持率（在1 A g^?1下1000次循環(huán)后為87%）。研究表明，優(yōu)異的電化學(xué)性能歸因于MnO₂層基面上的Al³⁺陽(yáng)離子空位，使Zn²⁺離子能夠三維擴(kuò)散，從而改善了離子輸運(yùn)動(dòng)力學(xué)。

電化學(xué)氧化過(guò)程中形成的氧空位不僅可以提高 Zn²⁺的電子電導(dǎo)率，而且還為鋅離子的儲(chǔ)存提供了更多的活性位點(diǎn)。因此，該研究為正極材料的設(shè)計(jì)提供了一條新的途徑。

圖2. 機(jī)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