李舜宁、潘锋发现调控质子传输能提升高水系锌离子电池能量密度

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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。

图1  Grotthuss传输原理以及TO畸变如何促进H+的传输

      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。


      文章来源：北京大学
      潘锋教授（博导）是北京大学深圳研究生院新材料学院创院院长,  美国劳伦斯伯克利国家实验室高级访问科学家。1985年获北大化学系学士，1988年获中科院福建物构所硕士，1994年获英国Strathclyde大学博士(获最佳博士论文奖)，1994-1996年瑞士ETH博士后。
       李舜宁博士，北京大学新材料学院副研究员，目前致力于电化学过程的第一性原理计算模拟研究，和电池材料与催化材料的高通量计算筛选。在 Chem. Mater. 等期刊发表SCI论文30余篇。