新材料學(xué)院發(fā)現(xiàn)調(diào)控質(zhì)子傳輸能提升水系鋅離子電池能量密度
?水系鋅離子電池是未來(lái)高安全的儲(chǔ)能和車用動(dòng)力電池。微酸性水系以MnO2為正極的鋅二次電池（Zn-MnO2）有著良好的安全性、較高的元素豐度和不錯(cuò)的環(huán)境相容性，使其成為大規(guī)模儲(chǔ)能領(lǐng)域下一代電池的候選之一，但由于其電池內(nèi)部反應(yīng)的復(fù)雜性，其儲(chǔ)能機(jī)制在當(dāng)今科學(xué)界一直存在爭(zhēng)論。近日，北京大學(xué)深圳研究生院的潘鋒教授團(tuán)隊(duì)通過(guò)合成一種Ni摻雜的α-MnO2，運(yùn)用實(shí)驗(yàn)和密度泛函理論（DFT）計(jì)算相結(jié)合，發(fā)現(xiàn)調(diào)控結(jié)構(gòu)可以提升質(zhì)子（H+）傳輸（基于Grotthuss質(zhì)子傳輸機(jī)理）速率，提高氫離子和鋅離子嵌入量，提升水系Zn-MnO2二次電池的能量密度。該成果近期以“Boosting the Energy Density of Aqueous Batteries via Facile Grotthuss Proton Transport”為題，在線發(fā)表在化學(xué)領(lǐng)域國(guó)際頂級(jí)期刊《德國(guó)應(yīng)用化學(xué)》（Angewandte Chemie ，2020，doi.org/10.1002/ange.202011588）上。
圖1? Grotthuss傳輸原理以及TO畸變?nèi)绾未龠M(jìn)H+的傳輸
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?研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)MnO2在放電過(guò)程中存在四方/正交（tetragonal/orthorhombic, TO）畸變，這種畸變極大程度降低了放電時(shí)α-MnO2的[2×2]孔道內(nèi)相鄰Mn-O鍵之間的距離，從而促進(jìn)了質(zhì)子在孔道內(nèi)的Grotthuss傳輸。同時(shí)，Ni摻雜也會(huì)促進(jìn)TO這一畸變，進(jìn)一步提高了Ni摻雜的α-MnO2的擴(kuò)散動(dòng)力學(xué)。由于與質(zhì)子的直接躍遷相比，基于Grotthuss機(jī)制進(jìn)行擴(kuò)散傳輸會(huì)極大降低質(zhì)子遷移的擴(kuò)散勢(shì)壘，因此這種擴(kuò)散機(jī)制能顯著改善質(zhì)子的傳輸動(dòng)力學(xué)，并允許質(zhì)子快速進(jìn)入α-MnO2晶格中的氧化還原位點(diǎn)。該基于TO畸變的H+的Grotthuss擴(kuò)散機(jī)制不僅在Zn-MnO2電池領(lǐng)域，在其他所有涉及H+傳輸?shù)念I(lǐng)域都有廣泛的借鑒意義。在可見(jiàn)的未來(lái)，隨著大規(guī)模儲(chǔ)能領(lǐng)域的進(jìn)一步發(fā)展，這種基于Grotthuss擴(kuò)散機(jī)制的水系Zn-MnO2二次電池會(huì)表現(xiàn)出極高的應(yīng)用價(jià)值。
?趙慶賀博士、碩士生宋奧野和工程師趙文光為文章共同第一作者，通訊作者為李舜寧博士和潘鋒教授。該工作得到了國(guó)家材料基因工程重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、廣東省自然科學(xué)基金項(xiàng)目的大力支持。
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