安徽建筑大学/北京理工大学CEJ： 揭示水系锌离子电池α-MnO2正极中Mg掺杂的关键作用

第一作者：李琼光，王存

通讯作者：李琼光*，钱玉敏*，冯绍杰*

单位：安徽建筑大学，北京理工大学

由于金属原子和伴随的氧空位的协同作用，掺杂被认为是克服水性锌-MnO₂电池中MnO₂动力学缓慢和稳定性差问题的最有效策略之一，但是关注所掺杂的金属原子的关键作用。该工作通过简单的一步水热方法，创新性地构建了一种具有缺氧空位的掺镁α-MnO₂构型（MMO）。理论和实验结果表明，在Mg掺杂MnO₂电极在贫氧空位条件下仍有助于降低材料的反应电阻、极化、离子扩散势垒并提高离子扩散系数，使其表现出良好的循环稳定性。MMO-2电极在1C (600 mA/g)倍率下循环700次表现出高达77.2%的容量保持率 （从311到240 mAh/g）。这项工作为理解MnO₂阴极中掺杂金属原子的独立效应提供了一个独特的视角。

二氧化锰正极具有高电压、高容量等特点，在水系锌离子电池中受到了广泛关注，但动力学缓慢和稳定性差等问题阻碍了二氧化锰基正极材料的进一步发展。异原子掺杂被认为是缓解上述问题的有效方法之一，并得到了大量工作的证实。原子掺杂通常会在MnO₂晶体结构中引起氧空位的形成，难以评价掺杂原子对材料电化学性能的促进作用。因此，本工作创新性地制备了贫氧空位Mg掺杂α-MnO₂材料，并以此作为模型研究Mg原子掺杂对材料电化学性能的促进作用。

实验结果表明，在贫氧空位条件下，Mg掺杂仍有助于改善α-MnO₂材料的电化学性能。在1C倍率下循环700周后，MMO-2材料的可逆容量保持在240 mAh/g，远高于对照组的129 mAh/g。在5C倍率下仍表现出高的可逆容量和良好的循环稳定性。电化学动力学分析结果表明，Mg掺杂不仅有助于减小极化、降低反应电阻，还有助于促进锌离子扩散，提高材料锌离子扩散系数。

理论计算表明，Mg掺杂α-MnO₂材料在Zn²⁺嵌入时具有更稳定的Zn-O-Mn结构，进而使其表现出更好的循环稳定性。对电解液中Mn²⁺溶解行为分析表明，Mg掺杂有助于抑制循环过程中的Mn²⁺溶解，表现为低Mn²⁺浓度，进一步验证了Mg掺杂对α-MnO₂材料结构稳定性的促进作用。

Unlocking the critical role of Mg doping in α-MnO₂ cathode for aqueous zinc ion batteries

李琼光，安徽建筑大学特任副研究员，硕士生导师。2022年博士毕业于中国科学院过程工程研究所，同年入职安徽建筑大学，入选安徽建筑大学“精英学者”。长期从事先进功能材料的设计合成与储能应用等方面应用基础研究，主持安徽省高校自然科学重点项目等科研项目5项。以第一/通讯作者在Chemical Engineering Journal, Green Energy & Environment, Journal of Colloid and Interface Science, Electrochimica Acta等学术刊物上发表研究论文10余篇，授权中国发明专利4项，H因子10（web of science）。

钱玉敏，北京理工大学特别研究员、博士生导师，国家级高层次青年人才。长期从事电化学与新能源材料的研究，利用DFT与人工智能设计电池与催化剂等新能源材料。在有机电极材料的设计，高压电解液设计，三元电极材料的稳定性，单原子催化制氢/固氮等方面有深入的研究。先后在日本FC-Cubic燃料电池公司，日本产业技术综合研究所(AIST)、德州大学奥斯汀分校(UT Austin)、苏州大学从事电化学与新能源材料相关的研究工作。目前在Nat. com，Sci.adv，JACS，Adv. Mat.系列 , Angew. Chem. 等期刊发表文章50余篇，总引用超过5000次，H-index 30。

冯绍杰，安徽建筑大学二级教授，硕士生导师，安徽省教学名师，安徽省硅酸盐学会秘书长，安徽省化学会常务理事，安徽省化工学会常务理事，安徽省先进建筑材料国际联合研究中心主任。主持和参与国家自然科学基金项目、安徽省重点研发计划、安徽省自然科学基金、安徽省高等学校省级自然科学研究重大项目、重点项目十余项；发表学术论文50余篇，授权发明专利项；获安徽省科技进步一等奖1项，二等奖1项，三等奖1项；获安徽省教学成果特等奖2项，一等奖1项。