严乙铭教授、杨志宇副教授团队《Nano Energy》观点：自旋极化调控轨道势助力超稳定高倍率锌离子电池

第一作者： 王诗雨

通讯作者： 严乙铭*，杨志宇*

单位： 北京化工大学期刊： Nano Energy（2025年，https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2025.111561）

随着储能需求的持续增长，快速充电电池技术已成为能源领域研究与技术创新的前沿方向。在多种新兴储能体系中，水系锌离子电池（Zinc-ion batteries, ZIBs）凭借其采用水系电解液所具备的高安全性、低成本和环境友好性等优点，表现出广阔的应用前景。同时，金属锌负极兼具高理论比容量、低氧化还原电位和良好的安全性，使其成为大规模储能领域的理想候选体系。然而，ZIBs 的商业化进程仍受限于正极材料性能的不足。作为典型的正极材料，MnO₂由于其丰富的晶相类型（包括 α、β、γ、δ 等）、较高的理论容量、良好的环境兼容性及资源储量丰富，备受研究者关注。尽管如此，MnO₂在水系 ZIBs 中的应用仍面临两项关键挑战：一方面，Jahn-Teller 效应导致的晶格畸变会引发结构不稳定和电化学可逆性下降；另一方面，Zn2⁺ 的插层动力学缓慢限制了电池的倍率性能和循环效率。因此，如何精准调控MnO₂的电子结构，从而实现其插层电化学储能过程中的结构稳定性与离子传输性能，是当前亟待深入解决的科学问题。

严乙铭教授与杨志宇副教授团队提出一种界面自旋极化调控轨道势（Spin-Polarization-Regulated Orbital Potential）策略，通过在α-MnO₂基体中构筑R-MnO₂/α-MnO₂异质界面（R/α-RMO），在原子尺度上对电子轨道能级及自旋占据再分配。这种界面诱发的自旋极化能显著增强轨道分裂、抑制Jahn-Teller畸变、优化电子和质子传输性能，从而实现超稳定与高倍率的离子插层电化学性能。该工作综合利用同步辐射、磁测试与DFT计算等手段，系统揭示了自旋极化驱动的轨道能级调控机制，为过渡金属氧化物正极的电子结构调控和电化学性能优化提供了可推广的新思路。

通过调控 Ru³⁺ 掺杂浓度，精准诱导 α-MnO₂中的部分晶体相转化为 R-MnO₂，相界处形成高度应变的 R/α 异质结构（R/α-RMO）。HRTEM 与 GPA 分析显示，该异质界面存在明显的晶格压缩与结构应变，实验证实 R/α-RMO 具有同时包含 1×2 与 2×2 隧道结构的双相区域，为离子快速迁移与电子重新分布提供通道。

界面自旋极化有效打破了Mn 3d 轨道的简并，增强了轨道能级分裂，并显著提升电子迁移能力。电子结构与磁性表征结果表明，界面诱导的自旋极化不仅增加了 Mn 的电子密度、缩小带隙，从而提升整体导电性。磁化测试进一步验证了界面处局域自旋不对称分布的存在。DFT 计算揭示，自旋极化导致t2g/eg 能级分裂增强，从而有效抑制 Jahn-Teller 畸变并稳定晶格结构。

1000次仍保持高稳定性；比容量347.1 mAh·g^-1（0.1 A·g^-1），高倍率下仍具有142.9 mAh·g^-1的优异性能。EIS与GITT测试均证明其离子扩散与质子传导动力学显著提升。

原位 Raman 与 XRD 表征结果表明，R/α-RMO 在H⁺/Zn²⁺ 插层过程中展现出优异的结构稳定性与可逆性。 HRTEM 与 GPA 进一步分析表明，即使在完全充电和放电状态下，R/α-RMO界面区仍保持规则的晶格取向，无明显结构坍塌。这些结果共同证明，自旋极化引发的轨道势调控有效缓解了Jahn-Teller 效应，显著提升 MnO₆骨架的结构稳固性与循环稳定性。

Mn 3d能级重排，使H⁺/Zn²⁺ 吸附能得到优化，显著降低质子电荷转移能垒，实现快速可逆储能。

本文提出的“自旋极化调控轨道势”策略能够有效协调MnO₂正极中结构稳定性与动力学性能的平衡，为过渡金属氧化物电极的电子结构设计提供了新的思路。该研究一方面有望推动高功率、高稳定性水系储能体系电池的发展，另一方面也丰富了自旋电化学的研究范畴。

王诗雨，北京化工大学博士生，研究方向为高性能电极材料的合成与锌离子电池储能机理研究。已发表SCI论文8篇，申请专利5项，授权4项。

Spin-Polarization-Regulated Orbital Potential in Interfacially Engineered α-MnO₂ for Ultra-Stable High-Rate Zinc-Ion Batteries