水性锌离子电池(ZIBs)因其独特的锌负极优势，包括高理论比容量(820 mAh g−1)，较低的氧化还原电位(−0.76 V vs 标准氢电极)，以及在弱酸性电解液中优良的稳定性，因此正受到越来越多科研人员的关注。此外，与水系碱金属离子电池(Li+, Na+, K+)相比，水系ZIBs的锌负极在充放电过程中涉及到双电子转移，因此可以确保高能量密度(5851 mAhmL−1)和高存储容量。因此，水系ZIBs有望成为水系金属离子电池的最佳储能材料。但是，缺乏稳固的正极材料仍然是进一步推动ZIBs实际应用的根本瓶颈。目前报道的水系ZIBs正极材料主要包括普鲁士蓝类似物、钒基材料和锰基材料等，其中MnO2因其具有更高的容量(>250 mAh g−1)、更高的电压(1.3–1.5 V)和各种晶型(α‐, β‐, γ‐, δ‐, λ‐, ε‐型)，因而在ZIBs中得到了广泛的研究。 层状δ‐MnO2材料具有较大的层间距通道(≈0.7 nm)，很适合于锌离子的快速可逆插层。然而，由于在循环过程中δ‐MnO2存在着严重的结构转变和Mn的溶解问题，因此导致锌/δ‐MnO2电池系统的电化学性能较差，包括明显的容量衰减和较差的倍率性能。在本文中，南开大学陶占良教授课题组成功设计出一种纳米片自组装纳米棒结构Ca0.28MnO2·0.5H2O为锌插层正极材料。电化学性能测试表明，Ca0.28MnO2·0.5H2O正极在175 mA g−1电流密度下的容量为298 mAh g−1，且在5000次的长期循环中几乎没有明显的容量衰减，表明Ca离子和水的每次插入可以显著提高Zn2+在Mn基层状材料中的可逆插层/脱出稳定性。随后，作者进一步阐明了该电化学系统的电荷储存机理，特别是氢离子。结果表明，氢离子在首次放电过程中的插层受电解质pH值和阴离子类型的双重控制，而且它还可以稳定Ca0.28MnO2·0.5H2O正极，促进Zn2+在1 M ZnSO4/0.1 M MnSO4电解质中的后续插层。 
Tianjiang Sun, Qingshun Nian, Shibing Zheng, Jinqiang Shi, and Zhanliang Tao. Layered Ca0.28MnO2·0.5H2O as a High Performance Cathode for Aqueous Zinc‐Ion Battery. Small2020. DOI: 10.1002/smll.202000597. 文章链接： https://doi.org/10.1002/smll.202000597 |
先进能源材料化学教育部重点实验室（南开大学）
Key Laboratory of Advanced Energy Materials Chemistry, Ministry of Education (Nankai University)