中大新聞網訊（通訊員楊功政）水系鋅離子電池是一種環保、安全的儲能系統，其中錳基正極材料具有較高的理論比容量和工作電壓等優點，受到了廣泛的關注。然而，該類材料存在電子導電性差、Zn2+反應動力學緩慢、循環過程中的體積膨脹和正極材料溶解等問題，導致了其比容量迅速衰減、循環穩定性差，從而限制了其在電池體系中的應用價值。
近年來，針對這些問題，中山大學材料科學與工程學院楊功政副教授、王成新教授團隊采用了構建復合材料（ACS Energy Lett. 2023, 8, 4085）和電解液添加劑設計（Nat. Commun. 2023, 14, 3591; Energy Storage Mater. 2020, 29, 246）等策略對錳基材料進行改進，并取得良好的改性效果。然而，錳的溶解問題依然無法完全避免。此外，在深入探索含ⅠB族元素（Cu、Ag）的儲鋅正極材料的過程中，該研究團隊創新性地提出了一種取代/嵌入共反應機制（Small Methods, 2019, 3, 1900637; ACS Nano, 2019, 13, 12081）。他們發現，這些元素在特定的條件下，會隨著水合鋅離子的嵌入而以金屬單質的形式析出。這一過程顯著提升了材料的導電性，進而優化了電池的整體性能。值得注意的是，盡管當前對于IB族元素從材料中釋放到電解液中的過程有所研究，但對于這一過程對整個器件，尤其是鋅金屬負極的影響規律的相關研究尚屬空白。
近日，該團隊在上述研究工作的基礎上提出了一種全新的正極材料設計策略，旨在同步提高正極和負極的穩定性。具體來說，選用本征晶體結構穩定的錳酸銅（CuMn2O4）作為正極材料，這種材料在循環過程中能保持良好的尖晶石結構。當Zn2+離子嵌入時，Cu2+離子會從CuMn2O4中提取出來，并原位還原為Cu0，這不僅增加了電池的容量，還改善了電導率。在充電過程中，Cu2+離子會遷移至鋅負極表面，并最終通過電沉積在鋅金屬表面原位形成銅鋅（Cu-Zn）合金。該Cu-Zn合金層利用了合金化效應，成功緩解了鋅在循環過程中的晶格扭曲，同時，與鋅襯底的結合力強，不易剝落。這種合金層顯著降低了鋅負極與電解液的接觸面積，從而有效抑制了氫析出反應和腐蝕反應。通過清晰闡述該電池體系中銅的非傳統電化學行為（見圖1），探索出一種優化正極材料的篩選策略，從而提升電池的循環壽命和穩定性。這為解決水系鋅離子電池所面臨的挑戰提供了全新的思路。
圖1. 鋅-錳酸銅電池中銅的非傳統電化學行為示意圖
相關研究成果以“Unconventional Copper Electrochemistry in Aqueous Zn‖CuMn2O4 Batteries”為題發表在Wiley旗下期刊Advanced Energy Materials。材料科學與工程學院楊功政副教授為論文的第一作者，王成新教授為論文的唯一通訊作者。中山大學材料科學與工程學院是論文的唯一完成單位。該研究工作受到國家自然科學基金、廣東省自然科學基金、中山大學分析測試中心的大力支持。
論文鏈接：http://doi.org/10.1002/aenm.202303695
