近期，未来科学国际合作联合实验室新概念材料团队在Energy & Environmental Science上发表题为“The Origin of Capacity Fluctuation and Rescue of Dead Mn-based Zn-Ion Battery: Mn-based Competitive Capacity Evolution Protocol”的研究工作。该研究凭借卓越的阳离子柱工程的锰氧化物，阐述了锰基锌离子电池容量波动的起源，并提出复活“失效锰”的有效办法，这些发现可以为理解电化学行为提供新的见解和新的评估标准，并进一步指导锌/锰相关器件的实际应用开发。

由于良好的输出电压、环境友好性，锰基水系锌离子电池 (ZIBs) 在安全储能系统方面引发了巨大的研究热潮。然而，在锰基 ZIBs 中使用必需的 Mn²⁺添加剂，其最初目的是缓解溶解问题，但是在实际测试中会产生复杂的副反应和异常的性能波动，阻碍了向商业化的发展。该团队凭借基于卓越的阳离子柱工程的锰氧化物，阐述了锰基锌离子电池容量波动的起源，发现这与独特的 Mn²⁺行为相关。作者首次提出了新的指标，例如有效循环百分比 (η) 和最大 Mn²⁺贡献率 (ε) 等性能参数，以通过新的容量评估协议重新评估当前 Mn 基 ZIBs 的电化学性能，即 Mn 基竞争性容量演化协议 (Mn-CCE)。通过对当下报道的锰基 ZIBs 的定量分析，进一步验证了该协议及其指标的普遍性。更重要的是，通过对容量波动分析出容量衰减的关键性原因，进一步证明了失效 Mn 基电极可借助简单的酸处理来挽救，这有望使电池的寿命延长五倍。这些发现可以为理解电化学行为提供新的见解和新的评估标准，并进一步指导锌/锰相关器件的实际应用开发。

图一：基于锰的竞争性容量演化协议和基于“失效锰”的 ZIBs 的寿命延长示意图

图二：锰基锌离子电池容量波动的起源和基于锰的竞争容量演化 (Mn-CCE) 协议

图三：失效正极的复活与性能展示

综上表明，通过对基于卓越的阳离子预嵌入工程设计的锰基正极的机理分析，利用第一性原理计算、电化学等方法证实了伴随着 Mn²⁺转化反应的 H⁺/Zn²⁺嵌入化学的储能机制。重要的是，本研究彻底阐明了 Mn²⁺添加剂可以影响甚至歪曲充/放电曲线的事实，从而为 Mn 基 ZIBs 提出了一个更全面和客观的 Mn-CCE 协议，它旨在不同循环阶段更深刻地理解与评估真正的锰基氧化物更真实的电化学机理。此外，通过分析锰氧化物阴极的降解机制，证明了失效阴极的回收方法，并且可复活失效的锰基 ZIBs 四次，具有显着的电化学性能潜力和可开发价值。这项工作为理解和评估锰基 ZIBs 的电化学行为提供了一个新的评估协议，并为可回收和环境友好的商业化铺平了道路。

相关的研究成果近期发表在Energy & Environmental Science杂志上，第一作者为吉林大学博士研究生杨航，通讯作者为吉林大学韩炜教授、复旦大学晁栋梁教授和南京航空航天大学陈铎助理教授。

全文链接：https://doi.org/10.1039/D1EE03547A