湖南工业大学&中南大学&阿贡实验室，AM：阴离子空位与异质结构助力先进气凝胶正极实现超快水系锌离子存储

第一作者：朱裔荣，赵睿

通讯作者：朱裔荣*，邹国强*，刘同超*，Khalil Amine*

单位：湖南工业大学，中南大学，阿贡实验室

近年来，水系锌离子电池/混合电容器（ZIBs/ZICs）凭借其高安全性、资源丰富以及成本低廉等优势，在新型电化学储能领域备受关注。硫化锰（MnS）作为一类极具发展潜力的水系锌基正极材料引起了研究者们的广泛兴趣。研究表明，相较于传统锰基氧化物，MnS在经历初始相变后展现出更加优异的理化性质，理论上具有更快的离子/电子传输动力学和更高的储锌能力。然而，在实际应用中MnS正极却面临着反应动力学有限以及结构稳定性差等问题，进而导致其活化周期较长且易发生不可逆溶解。此外，关于其相变机理的理论研究仍存在诸多争议。因此，开展系统性的改性研究工作以及揭示其储能机理对开发具有优异电化学性能的MnS基正极材料在水系锌基储能器件领域的应用具有重要的意义。

鉴于此，湖南工业大学朱裔荣教授、中南大学邹国强教授、阿贡实验室刘同超研究员/Khalil Amine教授等人受DFT计算的启发，设计并制备了一种新型富硫空位的三维异质结构MnS/MXene复合气凝胶，并将其首次用作水系ZIBs/ZICs正极。得益于硫空位和异质结构的协同改性，该材料展现出优异的导电性、卓越的结构稳定性、丰富的活性位点、短的活化周期和快速的反应动力学，所组装的MnS/MXene//Zn ZIBs和MnS/MXene//PC ZICs均表现出优异的电化学性能。此外，基于系统性的动力学分析、非原位表征和DFT理论计算对其相变机理进行揭示，即MnS/MXene首先不可逆地转化为MnO_x@ZnMnO₃/MXene，然后它们可逆地转化为MnOOH@ZnMn₂O₄/MXene，并伴随着H⁺和Zn²⁺的共嵌入/脱出。本研究提出的硫空位和异质结构的协同改性策略以及深入的机理研究，为设计和开发高性能的水系锌基储能器件正极材料提供了有价值的指导。

图1. MnS、MXene和MnS/MXene的DFT计算和理论分析

图2. MnS/MXene的形成过程及物理表征

图3. MnS、MXene和MnS/MXene的物理表征

图4. MnS和MnS/MXene的同步辐射表征

图5. 水系锌离子电池MnS和MnS/MXene正极的电化学性能

图6. 水系锌离子电池MnS和MnS/MXene正极的电化学动力学分析

图7. 水系锌离子电池MnS/MXene正极的相变机制

图8. 水系锌离子混合电容器MnS/MXene正极的电化学性能

Anion Vacancy Coupling with Heterostructure Enables Advanced Aerogel Cathode for Ultrafast Aqueous Zinc-Ion Storage. 

赵睿，男，湖南工业大学材料与先进制造学院2022级硕士研究生，主要从事锌离子电池/电容器的研究。以第一作者在Advanced Functional Materials上发表综述论文1篇，共同第一作者在Advanced Materials, Advanced Functional Materials上发表研究论文2篇。

朱裔荣，湖南工业大学教授，博士生导师，工程师，新能源材料系主任，湖南省杰出青年基金获得者，连续入选2020-2024年全球前2%顶尖科学家终身影响力榜单。2015年博士毕业于中南大学，师从国家杰青纪效波教授。主要从事超级电容器、水系电池等领域的研究。以第一或通讯作者在Energy & Environmental Science, Advanced Materials, Advanced Energy Materials, Advanced Functional Materials, Nano Energy, Energy Storage Materials等期刊上发表论文60余篇，其中ESI热点论文3篇，ESI高被引论文15篇，论文他引8000余次，H指数51。担任Nanomaterials客座编辑，Advanced Powder Materials、SusMat、Exploration、Battery Energy、Acta Physico-Chimica Sinica、Chinese Chemical Letters、Rare Metals等期刊青年编委；担任Advanced Energy Materials, Advanced Functional Materials, Energy Storage Materials等60余个期刊的审稿人。申请及授权国家发明专利10余项。获湖南省国防科技进步三等奖（1/5）、株洲市科技进步三等奖（2/3）、湖南省优秀博士学位论文奖等。