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Angew. Chem. :质子辅助水系锰离子电池化学

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水系电池由于其成本低,安全性高以及环境友好等特点,是非常有前景的大规模储能器件。在目前常见的水系金属Fe,Zn和Al)电池中,由于金属负极电极电势较高,其输出电压通常受到限制。相比上述常见的金属负极,金属锰具有更低的氧化还原电势,因此,水系锰离子电池有可能实现更高的输出电压。此外,锰具有高丰度,低毒性,低价格以及高比容量等优点。传统的锰离子电池是基于锰离子存储机理,然而,由于二价锰离子具有高的电荷密度以及大的溶剂化离子半径,目前水系锰离子电池正极容量较低。质子是水系电池中常见的一种载流子,其体积小、质量轻,并且质子与其他载流子共嵌入可以利用其协同作用,提升水系电池电化学性能。因此,如果质子嵌入化学引入水系锰离子电池,锰离子电池能量密度将得到极大提高。


近日,南开大学牛志强研究员课题组设计了一种质子辅助水系锰离子电池。在此电池中,层状Al0.1V2O5·nH2O(AlVO)被用作正极材料,AlVO具有多电子转化能力以及大的层间距,并且水合Al3+预嵌有助于提升材料在充放电过程中结构稳定性。机理研究表明,在放电过程,锰离子首先嵌入到AlVO层间,随后质子进一步嵌入AlVO;在充电过程中,质子和锰离子相继从AlVO脱出。因此,AlVO展现了可逆的锰离子和质子共同嵌入/脱出的储能机理。基于这种质子和锰离子共嵌入机理,Mn//AlVO电池表现出360 mAh g-1(0.2 A g-1)的高比容量,此外,得益于锰金属低的氧化还原电势,电池输出电压大约为0.9 V,这高于以钒氧化物作为正极的水系锌离子电池电压。高的容量和电压有助于实现高的能量密度,相比之前报的锰离子存储,这种质子共嵌入机制有效提升了水系锰离子电池能量密度。这项工作为设计高性能水系锰离子电池提供了思路。


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文信息

Proton-Assisted Aqueous Manganese-Ion Battery Chemistry

Songshan Bi, Yan Zhang, Shenzhen Deng, Zhiwei Tie, Prof. Zhiqiang Niu


Angewandte Chemie International Edition

DOI: 10.1002/anie.202200809


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