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安徽理工大學化學工程學院青年教師尹成杰，針對水系鋅離子電池錳基正極材料中錳離子溶解造成的循環壽命急劇衰減的問題，成功制備出多孔球狀氧化錳/碳復合材料，研究表明該材料具有優異的循環穩定性。相關研究成果發表于《膠體與界面科學》。
多孔球狀氧化錳/碳復合材料充放電機理示意圖 安徽理工大學供圖
水系鋅離子電池由于材料可再生、安全性高、地殼儲量豐富、高理論容量等特點，是符合綠色低碳、高安全、低成本的新型儲能系統，有望應用在大規模儲能、后備電源、緊急設備等領域。然而，現有正極材料的溶解、電化學活性低、離子傳輸動力學遲緩等問題，制約了其產業化進程。
“相比較其他正極材料，錳基氧化物因其特性，具有良好的應用前景。然而，它們存在較差的倍率和容量衰減等問題。” 尹成杰向《中國科學報》介紹，如何采用一種簡單策略，解決水系鋅離子電池循環壽命問題，仍是一項挑戰。
此次研究中，尹成杰等提出了一種新的原位碳包覆策略，通過以錳基金屬有機框架作為前驅體，采用一步熱處理法，成功制備出多孔球形氧化錳/碳復合材料。
“與純氧化錳材料相比，氧化錳/碳復合材料展現出了超高的比容量和循環穩定性(在1 A/g電流密度下的比容量412.4 mAh/g)。這主要是由于氧化錳/碳與碳涂層之間的強相互作用加速了離子/電子轉移，并抑制了材料中二價錳離子的溶解。”尹成杰說。
進一步，研究人員采用了非原位等方法，對氧化錳/碳復合材料的充放電機制進行了深入探究。研究發現，在充放電過程中，由于二價錳離子的溶解和水分子的嵌入，氧化錳被轉化為有利于鋅離子的插入和提取的層狀二氧化錳。而鋅離子和氫離子在隨后的放電中的插入導致進一步轉變為錳酸鋅和堿式硫酸鋅，結合碳層的保護作用共同提高了材料的比容量和循環穩定性。
尹成杰說，“這項研究為其他金屬氧化物水系鋅離子電池正極材料的設計和制備提供了新的策略和研究思路。同時也推動了水系鋅離子電池在大規模儲能領域中的應用進程。”
審稿人認為：“作者通過金屬有機框架的異質界面構筑成功獲得了一種具有分級球狀的氧化錳/碳復合正極材料。這是一個非常有趣和創新性的研究工作，為其應用提供了理論指導，具有實際意義。”
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