「水系锰电」解锁“锰”潜力：一文读懂水系锰离子电池的前世今生- 大数跨境

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「水系锰电」解锁“锰”潜力：一文读懂水系锰离子电池的前世今生

科学材料站

2025-09-01

导读：「水系锰电」解锁“锰”潜力：一文读懂水系锰离子电池的前世今生

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综述背景

在全球能源结构向可再生能源转型的浪潮中，新能源储能技术成为破解风能、太阳能等间歇性难题的核心支撑，而水系电池凭借高安全性、低制造成本的天然优势，在大规模储能领域备受关注。其中，水系锰离子电池（AMIBs）作为继锌离子电池后崛起的新型水系储能体系，以 “资源禀赋优、安全性能高、能量潜力大” 的三重核心优势，迅速成为水系电池领域的研究焦点。

从资源与性能基础来看，锰元素的地壳储量远超锂、锌等主流电池金属，且价格低廉，为 AMIBs 的规模化应用奠定了成本优势；从电化学性能而言，基于 Mn/Mn²⁺ 的 AMIBs 展现出突出的理论容量（质量比容量 976 mAh g^-1、体积比容量 7250 mAh cm^-3），远超锌离子电池，且 Mn²⁺具有适宜的氧化还原电位（-1.19 V vs 标准氢电极 SHE），能匹配多种正极材料构建高电压体系。然而，AMIBs 的发展仍受限于锰化学特性与水系环境的复杂耦合问题，从电极到界面的多维度挑战亟待突破。因此，深入揭示 Mn²⁺独特化学属性（如多价态、强配位能力）与水系环境耦合下的失效机制，针对性地从正极材料设计、负极界面调控、电解液体系优化三个维度提出协同解决方案，成为突破 AMIBs 性能瓶颈、推动其从实验室走向工业化应用的关键所在。

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综述内容

近日厦门理工罗浩副教授联合复旦大学晁栋梁教授及四川大学张千玉教授在Matter上发表了题为《Aqueous Manganese-Ion Batteries: The Past, Present, and Future》的综述论文。系统梳理 Mn²⁺化学、结构设计与性能机制的研究，围绕 Mn²⁺高电荷密度与强水合作用的核心特性，深入剖析了 AMIBs 从正负极材料到电解液体系的关键科学问题与优化方向，旨在填补基础材料研究与产业化应用的鸿沟，加速水系电池规模化商用。在电极材料层面，综述针对正极与 Mn²⁺存储的适配难题，系统分析嵌入型、转化型、配位型三类核心材料的优化策略，通过结构改性、性能调控等手段，多维度提升 Mn²⁺存储动力学与循环稳定性；针对负极 Mn 沉积 / 溶解可逆性差的瓶颈，总结界面涂层、合金化设计、集流体改性及 “摇椅式” 非沉积机制等解决方案，有效抑制析氢反应、枝晶生长与 “死锰” 形成，提升负极性能。电解液层面，从优化 Mn²⁺溶剂化结构、引入功能添加剂、开发混合与凝胶电解液等多维度提出调控策略，平衡离子电导率、界面稳定性与环境适应性，为高安全长寿命 AMIBs 提供设计范式。最后，作者展望了未来AMIBs的设计方向与商业化前景，指出AMIBs 凭借资源、安全、能量密度优势，有望在多领域发挥重要作用，成为支撑全球能源转型的绿色可持续储能技术。

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图文导读

图1. AMIBs研究基础与体系优势。（A）水系电解质与有机电解质的特性比较。（B和C）能量密度和容量的热力学估算。（D）二价金属离子体系的电化学参数比较。（E）阳离子半径、重量、成本和天然丰度的评估。（F）锰的Pourbaix图：水环境中氧化还原稳定性。

图2.AMIBs近期发展时间线

图3. AMIBs中锰负极及三种正极（嵌入型、转化型、配位型）储能机制与相关挑战

图4 AMIBs改性策略示意图

图5. AMIBs正极设计策略。（A）锰离子在钒氧化物中的嵌入及稳定性设计。（B）二氧化锰的转化机制及集流体优化。（C）水系锰离子电池中碘/碘离子的氧化还原过程。（D）4-氯苯醌阴极中锰离子的配位化学（E）水系锰离子和锌离子电池系统中各种阴极材料的放电容量和工作电压

图6. AMIBs中金属锰负极与非金属负极的设计策略。（A）锰离子溶剂化结构的示意图及锰金属阳极所面临的挑战（B）水性电解质的电化学窗口与全锰电池中锰Mn²⁺/Mn的氧化还原电位之间的比较（C）使用有机-无机杂化涂层对锰金属进行界面保护。（D）锰及其合金的能级位移。（E）利用缺陷工程和聚苯胺（PANI）涂层进行的集流体改性。（F）锰离子迁移路径（左）和扩散能垒（右）。（G）氧化还原循环过程中Mn²⁺在PI-COF中的多齿螯合示意图

图7. AMIBs电解液改性策略。（A）电解质中的气体生成现象及减缓策略。（B）（1）不同配位阴离子对 Mn²⁺的溶剂化结构及其形成能。（2）基于不同配位阴离子的 3M 水溶液电解质中的锰金属沉积/剥离电位。（C）（1）SeO₂作为添加剂的MnSO₄电解液中的锰沉积行为（2）有机界面层的形成机制。（D）（1）水分子与乙二醇（EG）之间的氢键形成以及键长比较。（2）在1：8摩尔比（MA-8）的Mn²⁺ -乙酰胺系统中的溶剂化结构（E）离子交联凝胶电解质（SA@Mn）与传统液体电解质的电极-电解质界面比较。

图8. AMIBs面临的挑战、应对策略与未来展望

图9. AMIBs未来发展趋势。强调通过性能优化、环境适应性、智能诊断、降低成本和可持续回收策略从基础研究向商业应用的过渡。

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文章链接

https://doi.org/10.1016/j.matt.2025.102379

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通讯作者简介

罗浩副教授，工学博士，厦门理工学院材料学院硕士生导师，入选福建省高层次人才（C类）/厦门市高层次人才（C类）。博士毕业于哈尔滨工业大学电化学工程专业，致力于从事金属离子电池正负极材料设计、新型电解液开发、电池安全管理及电池回收等研究。主持国家自然科学基金、福建省自然科学基金、中国博士后科学基金特别资助等多项科研项目。以第一作者或通讯作者在Matter、PNAS、Adv. Mater.、Adv. Energy Mater.、Adv. Funct. Mater. (2篇)、ACS Nano、Nano-Micro Lett.、Nano Energy(2篇)、Energy Storage Mater. (4篇)、J. Energy Chem. (4篇)、Nano Res. 等期刊上发表SCI论文30余篇，多篇论文入选ESI热点/高被引论文；引用2000余次，H指数22。

张千玉教授，现任四川大学材料科学与工程学院副研究员。长期从事新能源材料领域的基础研究和应用工作，主要研究方向为水二次电池、固态电池、锂硫电池、锂/钠/钾离子电池。在国际知名期刊以第一或通讯作者发表SCI论文60余篇，主持国家自然科学基金项目2项，省部级项目3项，校企合作项目7项。

晁栋梁教授，复旦大学化学与材料学院先进材料实验室，国家海外高层次引进人才（国家四青）、上海市曙光学者，担任复旦大学水系电池研究中心执行主任、Materials Today Energy 副主编（IF=9.3，中科院二区）、National Science Review学科编辑等。主要从事水系电化学基础与应用研究，已出版英文专著1部，发表论文150余篇，1/3以上入选ESI高被引论文，引用28000余次，H指数80。主持国家自然科学基金青年/面上/联合重点项目、国家重点研发计划课题等，曾获得EES Lectureship、中国电化学青年奖、上海市科技青年35人引领计划、《麻省理工科技评论》科技创新35人、USERN Prize Laureate、科睿唯安高被引科学家（2020-2024年）、澳大利亚研究理事会优秀青年及研究新星等奖项。