锰基材料因价态丰富，晶体结构多样，理论容量高和成本效益等优势成为锌离子电池理想的正极材料，但其在循环过程中不可避免的不可逆相变会引起持续的歧化反应，导致电极材料结构坍塌。尤其是使用具有立方密堆积结构的低价锰氧化物作为正极时，锌离子嵌插会产生强烈的晶格斥力，这将严重破坏原始晶体结构，导致电池性能快速衰减和失效。因此，有效解决锰氧化物在循环过程中的相变问题，是实现高度可逆锌离子存储的关键。
同济大学化学科学与工程学院刘明贤、甘礼华教授团队长期致力于高效储能材料研究并应用于新能源电池开发，课题组近期通过电化学诱导预相变策略，解决了α-Mn2O3正极材料在循环过程中的不可逆相变问题，实现了非晶相Zn0.17MnO2−n·0.52H2O稳定和高度可逆的锌离子存储。相关成果以“Dynamic Amorphous Zn0.17MnO2−n·0.52H2O Electrochemical Crystal Transition for Highly Reversible Zinc-Ion Batteries with Ultrahigh Capacity and Long Lifespan”为题发表于国际知名期刊《先进功能材料》(Advanced Functional Materials)。
实验表征揭示，在可控电化学氧化作用下，具有长程有序和周期性立方相α-Mn2O3晶体结构不可逆的转变为短程无序的Zn0.17MnO2−n·0.52H2O非晶结构，在随后的放电过程中可逆转变为层状结构ZnMn3O7·3H2O。非晶结构有利于暴露出更多的氧化还原位点，缓解锌离子嵌入脱出的晶格斥力，促进高效Zn2+存储。
理论计算表明，与α-Mn2O3相比，ZnMn3O7·3H2O具有更强的亲锌活性和更窄的能带间隙，有效降低了离子载体与亲锌位点之间的反应能垒，提高离子键合效率。
电化学研究表明，α-Mn2O3预相变后的非晶锰基材料具有更高的比容量(558 mAh g−1@100 mA g−1)、倍率性能和循环稳定性(5000次循环后容量保持率为95.85%)。
异位光谱和透射电子显微镜研究进一步表明，通过预相变策略实现了非晶相Zn0.17MnO2−n·0.52H2O和ZnMn3O7·3H2O层状结构之间的动态晶相转变。该策略可以拓展至Mn3O4和α-MnO2等其锰基材料，为解决锰基正极材料循环过程中的不可逆相变问题，构建高性能锌离子电池提供了新的思路。
上述研究工作得到了国家自然科学基金委、上海市科委和中国博士后科学基金会资助，缪灵助理教授、甘礼华教授和刘明贤教授为论文共同通讯作者，博士生陈裕敏为论文第一作者。
文章链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202409428
