可充電水系鋅錳電池結(jié)合了最古老的電池化學(xué)之一，具有良好的可持續(xù)性特征，包括安全性、成本和環(huán)境兼容性。然而，模糊的電荷存儲(chǔ)機(jī)制給發(fā)揮這種能源技術(shù)的巨大潛力帶來(lái)了挑戰(zhàn)。

近日，我校袁一斐教授、何坤副教授和美國(guó)阿貢實(shí)驗(yàn)室、伊利諾伊大學(xué)和牛津大學(xué)等研究團(tuán)隊(duì)合作，在國(guó)際頂級(jí)期刊《Nature Sustainability》發(fā)表題為“Understanding intercalation chemistry for sustainable aqueous zinc-manganese dioxide batteries”（二次水系Zn-MnO2電池載流子嵌入機(jī)制的研究）的論文。本工作利用先進(jìn)的球差校正電子顯微鏡、電化學(xué)分析表征和理論計(jì)算，研究了陰極材料（更具體地說(shuō)是隧道結(jié)構(gòu)α-MnO₂）內(nèi)的載流子插層化學(xué)。該研究結(jié)果表明，在水系二次Zn//ZnSO₄//MnO₂電池體系中， Zn²⁺插入隧道結(jié)構(gòu)α-MnO₂晶格的可能性極低，但可逆H⁺插入過(guò)程占主導(dǎo)地位；單個(gè)MnO₂納米線(xiàn)內(nèi)由于H⁺吸收而引起結(jié)構(gòu)不均勻性，即表面區(qū)域的隧道嚴(yán)重扭曲，且具有高度的各向異性膨脹的趨勢(shì)。理論模擬支持了實(shí)驗(yàn)觀(guān)察，并提供了更深入的質(zhì)子存儲(chǔ)動(dòng)力學(xué)機(jī)制的見(jiàn)解，進(jìn)一步推進(jìn)了對(duì)該電池系統(tǒng)的基本理解，為優(yōu)化質(zhì)子插層動(dòng)力學(xué)以更好地進(jìn)行電池設(shè)計(jì)提供了理論指導(dǎo)。Nature Sustainability期刊同期刊發(fā)了美國(guó)陸軍研究實(shí)驗(yàn)室許康和美國(guó)馬里蘭大學(xué)王春生教授的新聞評(píng)述觀(guān)點(diǎn)，評(píng)價(jià)這項(xiàng)工作是“為理解此水系電池體系的工作機(jī)制和實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)能性能的升級(jí)之路清除了一個(gè)主要障礙”。

溫州大學(xué)為本工作的第一完成單位，溫州大學(xué)何坤副教授為通訊作者，溫州大學(xué)王舜教授、金輝樂(lè)教授、研究生李成航參與此項(xiàng)工作。相關(guān)工作受到國(guó)家自然科學(xué)基金（52002287）等項(xiàng)目的資助。