材料学院李镇江、赵健团队在锌离子电池正极材料研究领域 取得新进展

近日，材料学院李镇江教授团队在锌离子电池正极材料研究领域取得新进展，该成果以“Effectively modulating oxygen vacancies in flower-like δ-MnO₂nanostructures for large capacity and high-rate zinc ion storage”为题发表在知名期刊Nano-Micro Lett.（2023, 15, 219，影响因子为26.6）上。本文第一作者为2021级硕士研究生王艺伟，通讯作者为赵健副教授和李镇江教授，青岛科技大学为唯一通讯单位。

锌离子电池（ZIBs）因具有较大的能量密度、合适的氧化还原电压和环境友好特性有望成为规模化储能装置。正极材料是决定ZIBs电化学性能的重要元素。在多种正极材料中，具有高理论容量及多晶结构的MnO₂已成为极具竞争力的候选材料。然而，在以前的研究中，其比容量远低于理论值，并且在高电流密度下的倍率也较差，这可能是由于其较差的电导率及缓慢的反应动力学所致，因此，研究人员通常采用不同的策略，例如调节材料形貌，采用导电骨架构建复合材料，引入异类杂原子等来克服上述问题。尽管性能有一定的改善，但仍不能满足高性能ZIBs正极材料的需求，这大大阻碍了MnO₂在ZIBs领域的商业化应用。基于此，该团队开发了一种有效调控δ-MnO₂氧空位浓度策略，通过控制KBH₄还原时间获得了不同空位含量的δ-MnO₂正极材料，实验及理论计算表明：富含中等空位浓度的δ-MnO₂可以确保反应过程中的H⁺/Zn²⁺化学吸附-解吸平衡和快速电荷转移速率，同时可提供足够多的活性位点，进而获得了高的比容量、优异的倍率及长循环寿命的电化学性能。此外，通过非原位表征技术系统阐明了在充放电过程中该正极材料具有H⁺/Zn²⁺嵌入/脱出及相变共存的电荷存储机制。本文全面解释了氧空位调控对ZIBs正极材料电化学性能的影响规律，这为开发高性能的ZIBs正极材料提供了有价值的设计手段，极大地推动了其商业应用过程。同时，这项研究工作也为构筑其他高性能二次电极材料提供了可靠策略。

本课题研究得到了国家自然科学基金、泰山学者人才工程、山东省高校青创人才引育计划、及山东省自然科学基金等项目的资助。