【温大学者联合破解锌-锰水系二次电池迷局：原子级储能机制解析】

可充电的水系锌-二氧化锰（Zn-MnO2）电池是经典的电池技术，十分符合可持续发展的要求，其具有安全性好、成本低和环境兼容性好的优势，在可持续电网级储能系统等大规模储能领域有较大的应用前景。

在众多的二氧化锰多晶型中，α-二氧化锰（α- MnO2）是 Zn-MnO2 电池最常用的正极材料，其晶体结构主要是相互连接的[MnO6]八面体按照一定的规律排列，形成明显的一维孔道结构，空间尺寸在亚纳米级别，因此，各种离子可以作为载流子在该结构中可逆地嵌入和脱出。

然而，在与锌负极、弱酸性电解液中组合时，其电荷存储的工作机理及循环失效机制仍不明确；不确定的电荷储存机制是这项能源技术发挥其潜力的巨大阻碍。

为了解 α- MnO2 的电荷储存机制，研究者们做了大量相关工作。目前，不同的工作已经提出了不同的机制，包括：（1）Zn2+ 插入，同时保持原有的隧道结构；（2）Zn2+ 插入后形成新的相，如尖晶石 ZnMn2O4和层状 ZnxMnO2；（3）H+插入形成新相（MnOOH）；以及（4）H+/Zn2+ 共同插入，将隧道主体转换成 MnOOH 或 ZnMn2O4。

可见，领域内目前关于水系二次锌-二氧化锰电池的科学问题主要是围绕 Zn2+ 与 Zn2+ 插入的关键竞争机制与 MnO2 晶格在充放电时的结构演变机理；而要回答以亚纳米级隧道框架来输运存储电荷的储能机制及结构演化机制的关键问题上，传统的体相表征手段有其局限之处，急需要从微观的微纳甚至原子尺度上去理解 α- MnO2 作为水系锌-二氧化锰电池正极的工作及失效机制。

温州大学袁一斐、#美国阿贡国家实验室# 陆俊、#牛津大学# Saiful Islam、伊利诺伊大学 Reza Yassar 等研究人员合作，在 Nature Sustainability 发表水系二次锌-二氧化锰电池基础研究的最新成果，题为《解析可持续水系锌-二氧化锰电池的插层化学反应》（Understanding intercalation chemistry for sustainable aqueous zinc–manganese dioxide batteries）[1]。

与先前的研究不同，这项研究注重从微纳甚至原子尺度上去理解 α-MnO2 作为水系锌-二氧化锰电池正极的工作及失效机制。研究人员利用先进的球差校正电子显微镜、电化学分析和理论计算，研究了 α-MnO2 正极晶体材料内的载流子插层化学。研究表明，在 α-MnO2 正极晶体的放电过程中，Zn2+ 插入反应是极不可能的；相反，电荷储存过程是由质子插入形成同一物相 α-HxMnO2 这一固溶反应主导的。

该研究进一步揭示了质子嵌入 α-MnO2 主体材料遵循的有序占位特征以及由此引起的 α-MnO2 隧道晶格各向异性缩胀的机制，并进一步讨论了上述电荷存储动力学特性对电极循环结构失效和容量衰减的影响，为设计性能更好的水系锌电池提供了一些可行的策略。

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