近日，北京化工大学先进功能聚合物复合材料北京市重点实验室于中振教授和曲晋副教授团队在Nano-Micro Lett. (Instant IF=12.3)期刊上发表题为“Layered Birnessite Cathode with a Displacement/Intercalation Mechanism for High-Performance Aqueous Zinc-Ion Batteries”的学术论文，报道了新型层状Na_0.55Mn₂O₄·0.57H₂O(NMOH)材料，并用作水性锌离子电池的正极。本工作通过对水钠锰矿层间钠离子和结晶水的系统调控，证明行之有效的置换/嵌入机理可以显著提高锰基材料的结构稳定性和电化学性能。

由于严重的环境污染和能源消耗，环保的储能技术继续受到广泛关注。可充电水系金属离子电池（Li⁺，Na⁺，Zn²⁺，Mg²⁺，Ca²⁺等）在可再生大规模储能领域具有良好的应用前景。其中，水系锌离子电池(ZIBs)具有生态友好、成本低、锌资源丰富等优点，而且水性电解质的离子电导率比有机电解质的电导率高100-1000倍，因此ZIBs得到越来越多的关注。在水系锌离子电池中，锰基正极材料因其较高的工作电压、高的能量密度和环境友好性等优点，成为具有竞争力的明星材料之一。但是，水性锌离子电池锰基正极材料在充电/放电循环过程中，伴随着锌离子的脱出/嵌入，会发生严重的晶体结构转变，从而影响电池的循环稳定性。因此，急需开发出提升锰基正极材料结构稳定性的新策略。

本工作以硅酸锰为前驱体，通过氢氧化钠选择性刻蚀硅氧四面体和诱导锰氧八面体骨架的重排，制备了层状Na_0.55Mn₂O₄·0.57H₂O(NMOH)，并用作水性锌离子电池的正极。通过Na⁺和结晶水共同嵌入到晶体层间的策略，不仅扩大了NMOH晶体层间距离而且稳定了层状结构，从而有利于在保持锰基材料结构稳定性的情况下实现Zn²⁺的可逆嵌入与脱出。对照实验进一步证明了钠离子以及结晶水的作用，更多细节请参见原文。通过研究，首次在锰基正极材料中证实了置换/嵌入的电化学储能机理：首个电化学过程中，部分钠离子被Zn²⁺取代，留在晶体中的Zn²⁺起到支撑的作用，进一步稳定层状结构，促进随后进行的Zn^{2 +}/H ⁺嵌入/脱出过程，从而使电池获得了高的比容量和优异的循环稳定性。另外，首圈从NMOH中脱出的Na⁺，在此后的放电过程中会被重新吸附到正极表面，产生赝电容以提升电极材料的比容量。得益于此，NMOH正极材料在200和1500 mA g^-1的电流密度下，分别具有高达389.8和87.1 mA h g^-1的可逆容量。本工作为提高ZIBs锰基正极材料的电化学性能提供了新策略和新思路。

本文第一作者为博士生翟显治，于中振教授和曲晋副教授为本文通讯作者，北京化工大学为第一完成单位。本研究工作得到了国家自然科学基金、国家重点研发计划等项目的资助。

文章信息：Xian-Zhi Zhai, Jin Qu, Shu-Meng Hao, Ya-Qiong Jing, Wei Chang, Juan Wang, Wei Li, Yasmine Abdelkrim, Hongfu Yuan, Zhong-Zhen Yu. Layered Birnessite Cathode with a Displacement/Intercalation Mechanism for High-Performance Aqueous Zinc-Ion Batteries, Nano-Micro Lett. (2020)12:56.

全文链接：https://doi.org/10.1007/s40820-020-0397-3.