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调控质子传输能提升高水系锌离子电池能量密度

水系锌离子电池是未来高安全的储能和车用动力电池。微酸性水系以MnO2为正极的锌二次电池(Zn-MnO2)有着良好的安全性、较高的元素丰度和不错的环境相容性,使其成为大规模储能领域下一代电池的候选之一,但由于其电池内部反应的复杂性,其储能机制在当今科学界一直存在争论。近日,北京大学深圳研究生院的潘锋教授团队通过合成一种Ni掺杂的α-MnO2,运用实验和密度泛函理论(DFT)计算相结合,发现调控结构可以提升质子(H+)传输(基于Grotthuss质子传输机理)速率,提高氢离子和锌离子嵌入量,提升水系Zn-MnO2二次电池的能量密度。该成果近期以“Boosting the Energy Density of Aqueous Batteries via Facile Grotthuss Proton Transport”为题,在线发表在化学领域国际顶级期刊《德国应用化学》(Angewandte Chemie ,2020,doi.org/10.1002/ange.202011588)上。


研究团队发现MnO2在放电过程中存在四方/正交(tetragonal/orthorhombic, TO)畸变,这种畸变极大程度降低了放电时α-MnO2的[2×2]孔道内相邻Mn-O键之间的距离,从而促进了质子在孔道内的Grotthuss传输。同时,Ni掺杂也会促进TO这一畸变,进一步提高了Ni掺杂的α-MnO2的扩散动力学。由于与质子的直接跃迁相比,基于Grotthuss机制进行扩散传输会极大降低质子迁移的扩散势垒,因此这种扩散机制能显著改善质子的传输动力学,并允许质子快速进入α-MnO2晶格中的氧化还原位点。该基于TO畸变的H+的Grotthuss扩散机制不仅在Zn-MnO2电池领域,在其他所有涉及H+传输的领域都有广泛的借鉴意义。在可见的未来,随着大规模储能领域的进一步发展,这种基于Grotthuss扩散机制的水系Zn-MnO2二次电池会表现出极高的应用价值。


赵庆贺博士、硕士生宋奥野和工程师赵文光为文章共同第一作者,通讯作者为李舜宁博士和潘锋教授。该工作得到了国家材料基因工程重点研发计划、广东省自然科学基金项目的大力支持。

发布时间:2020-12-04 点击量:25 次

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