【引言】
隨著全球對大型儲能、天津電動汽車和電子產品需求的大學電解電水不斷增長，不可燃、液去低成本的耦合基于水基電解液的電池展現出安全、堅固和低成本的穩定優勢。然而，可充水性電池的天津應用面臨兩個嚴峻挑戰：首先，水性電池工作電壓和能量密度相對較低；第二，大學電解電水大多數水性電池都存在不利的液去副反應，導致電池循環穩定性差。耦合雖然堿性鋅錳電池早已商業化，穩定但是可充受制于堿性操作條件，其工作電壓和可充電性能受到限制。天津盡管堿性環境可提高Zn負極的大學電解電水穩定性，但其中間體可逆性差并抑制正極性能。液去最近研究發現中性或弱酸性溶液的鋅離子電池，可以增強MnO2的可逆離子（H+、Zn2+和Li+）的嵌入/脫出能力，提高電池的可逆性。但是，氧化還原反應僅限于Mn4+/Mn3+，通過離子插入進一步還原為Mn2+可能會導致嚴重的結構變化，降低電池的穩定性。?
【成果簡介】
近日，天津大學鐘澄教授、胡文彬教授（共同通訊）等人提出了一種電解液去耦合策略，來調控Zn負極和MnO2正極的最佳氧化還原化學作用，來優化Zn-MnO2（DZMB）電池的電勢。電解液解耦后，DZMB電池的開路電壓可達到2.83 V，其循環200 h后的容量衰減只有2％。由于MnO2正極充分利用，DZMB電池還能夠在各種電流密度下保持約100％的容量，獲得超高的倍率性能。本文同時探索了DZMB電池與風力和光伏混合發電系統集成的可行性，證明電解液去耦策略適用于其他高性能鋅基水性電池。相關成果以“Decoupling electrolytes towards stable and high-energy rechargeable aqueous zinc-manganese dioxide batteries”為題發表在Nature Energy上。?
【圖文導讀】
圖?1 Zn-MnO2電池的工作機理示意圖
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圖?2 DZMB的電化學性能表征
（a）在100-1000 mA g-1下，DZMB的放電曲線；
（b）DZMB連續循環200h的性能圖；
（c）充電10-100％狀態下，DZMB的放電曲線；
（d）在3 V下，DZMB的倍率性能圖。?
圖?3 DZMB中MnO2正極的結構表征
（a）在200 mA g-1及3V時：放電前（i），DOD放電~20％（ii），~40％（iii），~60％（iv），~80％（v）和~100％（vi）后MnO2正極的SEM圖像；以及在DOC充電~20％（vii），~40％（viii），~60％（ix），~80％（x）和~100％（xi）后的SEM圖像；
（b-d）電極上原位沉積MnO2的TEM圖像 (b)，HRTEM圖像 (c) 和相應衍射FFT圖（d）。?
圖?4 DZMB中MnO2正極的相和表面化學特征
（a）在200 mA g-1及3 V時，在DZMB的不同放電（頂部）和充電（底部）狀態下MnO2正極的PXRD圖譜；
（b-d）MnO2的高分辨率XPS光譜：Mn 2p（b），O 1s（c）和C 1s。?
圖?5 MnO2正極循環過程的原位表征及工作機理
（a）在200 mA g-1下，DZMB充放電過程中，MnO2正極的原位拉曼光譜以及其相應放電/充電曲線；
（b）ICP-OES在DZMB放電和充電的不同階段電解液中Mn離子濃度的理論和實驗值；
（c）DFT研究H*表面覆蓋對ε-MnO2（100）表面上的氧空位形成能的影響；
（d）pCOHP分析帶有氧空位的ε-MnO2（100）表面上不飽和Mn與相鄰原子之間的相互作用。?
圖?6 DZMB的應用探索
（a）150 mA單個DZMB，150 mA兩個DZMB的串聯以及300 mA兩個DZMB的并聯的放電曲線；
（b）DZMB與已報道的可充電Zn-Mn氧化物基電池的性能比較圖；
（c）DZMB數據包的可再生能源存儲演示系統的數據。?
【小結】
本文通過電解液去耦合策略，開發高達2.83 V的Zn-MnO2電池，該電池可以在各種充電狀態下提供穩定的放電平臺。DZMB可以實現MnO2的兩電子反應，幾乎完全利用了負載的MnO2，提供的比容量幾乎與理論值617 mAh g-1一致。此外，電解液解耦設計極大地提高了DZMB的循環穩定性，在循環200h仍表現出穩定的性能。得益于高的比容量和高的電池電壓，DZMB可以提供1621.7 WhkgMnO2-1的高比能量密度。基于電沉積MnO2、碳集電器、鋅箔、所有電解液和離子交換膜的總重量，容量為3.33 Ah的DZMB原型可提供90 Wh kgcell-1的電池能量密度，超越了傳統的商業化水性電池。通過與風力和光伏混合發電系統的集成，DZMB展示了大規模可再生能源存儲的潛力。這種電解液去耦策略為設計高電壓和高能量密度的鋅基水系電池提供了指導，對于發現先進的電化學存儲系統具有重要意義。?
文獻鏈接：Decoupling electrolytes towards stable and high-energy rechargeable aqueous zinc-manganese dioxide batteries（Nature Energy, 2020, DOI: 10.1038/s41560-020-0584-y）。
【團隊主要介紹】
材料電化學與表界面工程課題組網站：http://ecsie.tju.edu.cn
胡文彬教授：國家杰青、萬人計劃領軍人才，現任天津大學材料學院院長、教授、博導。長期從事關鍵能源材料及表界面科學與工程研究。先后承擔了國家杰出青年基金、國家“863”計劃、國家自然科學基金重點等項目30余項，獲國家科技進步二等獎1項(排名第一)，省部級一等獎2項(排名第一)，科技部重點領域創新團隊負責人。在Nat. Energy., Nat. Commun., Chem. Soc. Rev., Adv. Mater., Adv. Energy Mater.等國際知名刊物發表論文300余篇，獲授權發明專利20余項，出版中英文學術專著或教材4部。現任國家重點研發計劃材料基因組項目責任專家、國際電化學能源科學院(IAOEES)理事、中國材料研究學會青年委員會理事會副主任、中國腐蝕與防護學會副理事長，任Science China Materials、無機材料學報、中國有色金屬學報等學術期刊編委。
鐘澄教授：國家優青、萬人計劃青年拔尖人才、英國皇家化學會會士、天津市杰青。主持國家重點研發計劃子課題、國家自然科學基金優青、面上等項目，圍繞電池電化學和電化學冶金方面，在Nat. Energy., Nat. Commun., Chem. Soc. Rev., Adv. Mater., Adv. Energy Mater.等刊物發表SCI收錄論文100余篇，出版英文著作1部。獲國家授權發明專利10余項，并有多項專利獲得轉讓。擔任國際電化學能源科學研究院理事、Carbon Energy及Front. Chem.副主編。
韓曉鵬副教授：國家青年托舉人才，2015年博士畢業于南開大學，主持中國科協、天津市青年托舉、國家自然科學基金面上、青年、天津市基金等項目，主要從事能量儲存與轉換材料及器件的研究，在Adv. Mater.、Angew. Chem. Int. Ed.、Adv. Energy Mater.等期刊發表SCI論文110余篇，被引5200余次，H-index為39，獲國家授權發明專利4項，任Front. Chem.客座編輯及編委會成員，獲天津市自然科學一等獎。
團隊近期在該領域研究工作匯總：
1) C. Zhong*, W. Hu* et al, Nat. Energy2020, DOI: 10.1038/s41560-020-0584-y.
2) X. Liu., C. Zhong,* W. Hu* et al, Nat. Commun.2019, 10, 4767.
3) C. Zhong, W. Hu* et al, Chem. Soc. Rev.2015, 44, 7484. (1%ESI)
4) J. Ding, C. Zhong,* D. Mitlin* et al, Adv. Mater.2020, DOI: 10.1002/adma.201908007
5) J. Ding, C. Zhong,* D. Mitlin* et al, Adv. Mater.2019, 31, 1900429.
6) Y. Li, C. Zhong,* Y. Deng,* J. Lu* et al, Adv. Mater.2018, 30, 1703657. (1%ESI)
7) J. Ding, C. Zhong,* et al, Angew. Chem. Int. Ed.2020, 58, 5092.
8) J. Ding, C. Zhong,* W. Hu.* et al, Adv. Energy Mater.2019, 9, 1900955.
9) Y. Li, C. Zhong,* J. Lu* et al, Adv. Energy Mater.2019, 9, 1802605.
10) Z. Zhang, X. Han,* W. Hu* et al, Angew. Chem. Int. Ed.2020, DOI: 10.1002/anie.202001703.
11) Q. Zhang, Z. Shen, X. Han,* W. Hu* et al, Angew. Chem. Int. Ed.2018, 57, 9351.
12) X. Han, S. Peng,* Y. Deng,* W. Hu* et al, Adv. Mater.2019, 31, 1905622.
13) X. Han, Y. Deng* et al, Adv. Mater.2019, 31, 1808281. (1%ESI)
14) X. Han, Y. Deng* et al, Angew. Chem. Int. Ed.2019, 58, 5359. (1%ESI, VIP)
15) X. Han, C. Zhong*, W. Hu* et al, Adv. Energy Mater.2018, 8, 1800935. (1%ESI, Cover)
16) X. Han, W. Hu*, T. Ma* et al, Adv. Energy Mater.2018, 8, 1801396.
17) X. Han, Y. Deng*, T. Ma* et al, Adv. Energy Mater.2018, 8, 1702222. (1%ESI, Cover)
18) X. Chen, C. Zhong*, Y. Deng* et al, Adv. Energy Mater.2017, 7, 1700779. (1%ESI)
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