北京大學潘鋒團隊：調控質子傳輸能提升高水系鋅離子電池能量密度

2020-12-04 小材科研

水系鋅離子電池是未來高安全的儲能和車用動力電池。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的環境相容性，使其成為大規模儲能領域下一代電池的候選之一，但由於其電池內部反應的複雜性，其儲能機制在當今科學界一直存在爭論。

近日，北京大學深圳研究生院的潘鋒教授團隊通過合成一種Ni摻雜的α-MnO2，運用實驗和密度泛函理論（DFT）計算相結合，發現調控結構可以提升質子（H+）傳輸（基於Grotthuss質子傳輸機理）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，在線發表在化學領域國際頂級期刊《德國應用化學》（Angewandte Chemie ，2020，doi.org/10.1002/ange.202011588）上。

圖1 Grotthuss傳輸原理以及TO畸變如何促進H+的傳輸

研究團隊發現MnO2在放電過程中存在四方/正交（tetragonal/orthorhombic, TO）畸變，這種畸變極大程度降低了放電時α-MnO2的[2×2]孔道內相鄰Mn-O鍵之間的距離，從而促進了質子在孔道內的Grotthuss傳輸。同時，Ni摻雜也會促進TO這一畸變，進一步提高了Ni摻雜的α-MnO2的擴散動力學。由於與質子的直接躍遷相比，基於Grotthuss機制進行擴散傳輸會極大降低質子遷移的擴散勢壘，因此這種擴散機制能顯著改善質子的傳輸動力學，並允許質子快速進入α-MnO2晶格中的氧化還原位點。該基於TO畸變的H+的Grotthuss擴散機制不僅在Zn-MnO2電池領域，在其他所有涉及H+傳輸的領域都有廣泛的借鑑意義。在可見的未來，隨著大規模儲能領域的進一步發展，這種基於Grotthuss擴散機制的水系Zn-MnO2二次電池會表現出極高的應用價值。

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。該工作得到了國家材料基因工程重點研發計劃、廣東省自然科學基金項目的大力支持。

來源：北京大學

論文連結

http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.202011588

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