解密高性能水系锌离子霍克蓄电池用钠镁双掺杂锰氧化物正极的类基因剪接快速储能模式

根据锰氧化物的水系锌离子电池(AZIBs)因其高理论容量、资源丰富及环境友好性等特点，已成为下一代储能体系的有力竞争者。但是，实践容量受限、反响动力学迟滞及循环安稳性差等应战，仍阻止其实践使用。本研讨经过将双金属离子(Na+和Mg2+)引入锰氧化物(NMMO)，提出了一种相似基因剪接的储能机制与反响动力学加速路径1+0.5)以提高电化学功能。所得NMMO资料1+0.5//Zn电池展示出2.60 mAh/cm²的优异面容量2在0.2 mA/cm²电流密度下2并体现出杰出的循环安稳性，在1.0 mA/cm²条件下循环1000次后，每循环容量衰减率仅为0.026%2，其功能优于单金属对应物。此外，一种封装型NMMO1+0.5//Zn电池成功为LED和定时器供电，展示了其使用潜力。本研讨凸显了双离子掺杂在克服MnO₂基水系锌离子电池局限性方面的有用性，并为规划高效、耐用且可扩展的实践使用储能体系供给了重要见地。
可充电水系离子电池，包括根据铝3+、锌2+、钠+、钾+和铵4+锌离子作为下一代储能体系的潜在候选者，因其本征安全性、环境友好性和本钱效益优势而受到广泛重视[[1], [2], [3], [4], [5], [6], [7], [8], [9], [10], [11]]。其间，水系锌离子电池（AZIBs）尤为有目共睹，其利用锌金属负极具有820 mAh/g的高理论比容量和−0.76 V的低氧化还原电位等优势。对比SHE），以及与水性电解液的优异兼容性[[12], [13], [14], [15], [16], [17], [18], [19]]。这些特性使得AZIBs非常适用于从电网级储能到便携式电子设备的多样化使用场景[[20], [21], [22], [23], [24]]。
二氧化锰（MnO2）因其多样化的晶型结构（如, α, β, γ, δ)、高理论容量(308-616 mAh/g)、适宜的作业电压(1.23 Vvs.SHE)以及低本钱(0.96-1.6美元/公斤)等优势[[25], [26], [27], [28], [29], [30]]。但是虽然具有这些长处，MnO2基水系锌离子电池的实践使用仍面临许多应战，包括缓慢的反响动力学、较低的实践容量、较差的倍率功能以及循环进程中容量快速衰减等问题[[31], [32], [33], [34]]。这些问题的根源主要在于其杂乱的电化学进程。前期研讨以为其遵循简略的Zn2+刺进/脱出机制[35]，但后续研讨标明Zn2+和H+均参加充放电进程，尤其在弱酸性电解液中[4,23,36]。继续的Zn2+和H+刺进/脱出会导致MnO2结构劣化2在重复充放电循环进程中。此外，离子嵌入的序列与主导性，以及不可逆副产物（如锌锰酸盐和硫酸锌）的形成，共同导致库仑功率下降和循环寿命缩短[37]。因而，锌离子与质子共嵌入和不可逆相变的杂乱相互作用引起的反响动力学迟滞、结构不安稳性和容量衰减，阻止了其实践使用。2+/H+共嵌入与不可逆相变的杂乱相互作用。
为克服这些局限性，研讨人员致力于经过掺杂、纳米结构调控、表面改性和电解质工程等战略提高MnO正极资料的电化学功能[[38], [39], [40]]。其间，金属离子掺杂被证实是一种尤为有用的方法，可明显改善电子结构、离子分散和结构安稳性。传统的单金属掺杂（2例如NaK+, Mg+)在改善锌离子存储方面展示出潜力2+和H2+经过提高晶格包容才能，然后增强了容量坚持率和倍率功能。例如，钠离子掺杂+被发现可强化二氧化锰晶格对锌离子的包容才能，然后提高循环进程中的容量坚持率与倍率功能[41]。相似地，钾+和H2+和Mg+掺杂可以经过降低循环进程中的相变倾历来增强MnO₂的结构安稳性，然后有助于提高循环安稳性并减缓容量衰减[[42], [43], [44], [45]]。+ and Mg2+ doping can increase the structural stability of MnO₂ by reducing the tendency for phase transformation during cycling, contributing to better cycling stability and reduced capacity fading [[42], [43], [44], [45]].
但是，虽然取得了这些进展，单元素掺杂往往无法充分优化MnO₂正极的电化学功能。其主要局限性在于单一掺杂剂难以一起处理多重应战，例如电子导电性、离子分散和结构完整性等问题。此外，单元素掺杂可能无法有用调控MnO₂的电子结构，导致电荷分布不均和离子嵌入路径不安稳[46]，这进一步影响了电池的电化学功能，尤其是循环安稳性。因而，传统的单金属掺杂等战略（NaK+, Mg+, 镁2+)经过增强离子包容性或结构安稳性部分处理了这些问题，但仍未能和谐H+离子主导的表面反响与锌2+离子主导的体相进程。这一局限性源于单元素掺杂无法一起调控多尺度下的电子结构、相安稳性和离子传输动力学，这一关键缺点亟待创新性处理方案。鉴于单元素掺杂的局限性，近期研讨将焦点转向双元素掺杂，将其作为提高MnO电化学功能的更全面战略。2正极资料。[47]例如，吕及其团队提出Cu2+与Zn2+镍掺杂α-MnO₂正极资料，这种共掺杂战略经过安稳纳米线隧道结构并供给更多活性位点，明显提高了电极的电化学功能[48]。经过规划NiHe等研讨者经过Ni-Co共掺杂的层状δ-MnO₂正极资料研讨标明，镍钴双元素掺杂可明显提高二氧化锰的电化学功能，特别是在长循环寿命方面体现突出[49]。虽然双离子掺杂战略相较于单元素改性已展示出更优的电化学功能，但仍存在固有局限性，例如掺杂剂间的非特异性相互作用。为此，咱们借鉴生物基因剪接机制——即经过准确组合离散的功能性DNA片段来完成蛋白质表达的优化——以突破上述局限性。
根据上述发现，本研讨经过合理调控钠镁共掺杂份额，在Na-Mg共掺杂MnO₂正极（NMMO）中提出了一种仿生"基因剪接"式快速动能存储机制，其功能超越单钠掺杂正极（NMO）与单镁掺杂正极（MMO）。具体而言，钠掺杂体在放电初期支撑H+1+0.5嵌入，而镁掺杂体则经过安稳后续Zn2++通道完成电荷传输优化2+嵌入行为，构建了一种分级存储机制。本研讨经过实验验证与密度泛函理论（DFT）模拟相结合，体系评价了NMMO1+0.5正极资料的功能。结果标明，该资料在面容量、循环安稳性和倍率功能方面均取得明显提高，功能超越未掺杂及单金属掺杂对照资料。此外，NMMO的实践可行性1+0.5经过将其组装成pack型电池进行了验证，该电池可以为LED和计时器供电，凸显了其在实践使用中的潜力。这些发现为开发高效、耐用且可扩展的水系锌离子电池正极资料供给了重要见地，有助于推进安全可继续的储能技术发展。