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近日，北京大學深圳研究生院的潘鋒教授團隊通過合成一種Ni摻雜的α-MnO₂，運用實驗和密度泛函理論（DFT）計算相結合，發現調控結構可以提升質子（H⁺）傳輸（基于Grotthuss質子傳輸機理）速率，提高氫離子和鋅離子嵌入量，提升水系Zn-MnO₂二次電池的能量密度。該成果近期以“Boosting the Energy Density of Aqueous Batteries via Facile Grotthuss Proton Transport”為題，在線發表在化學領域國際頂級期刊《德國應用化學》（Angewandte Chemie，2020，doi.org/10.1002/ange.202011588）上。

Grotthuss傳輸原理以及TO畸變如何促進H⁺的傳輸

研究團隊發現MnO₂在放電過程中存在四方/正交（tetragonal/orthorhombic, TO）畸變，這種畸變極大程度降低了放電時α-MnO₂的[2×2]孔道內相鄰Mn-O鍵之間的距離，從而促進了質子在孔道內的Grotthuss傳輸。同時，Ni摻雜也會促進TO這一畸變，進一步提高了Ni摻雜的α-MnO₂的擴散動力學。由于與質子的直接躍遷相比，基于Grotthuss機制進行擴散傳輸會極大降低質子遷移的擴散勢壘，因此這種擴散機制能顯著改善質子的傳輸動力學，并允許質子快速進入α-MnO₂晶格中的氧化還原位點。該基于TO畸變的H⁺的Grotthuss擴散機制不僅在Zn-MnO₂電池領域，在其他所有涉及H⁺傳輸的領域都有廣泛的借鑒意義。在可見的未來，隨著大規模儲能領域的進一步發展，這種基于Grotthuss擴散機制的水系Zn-MnO₂二次電池會表現出極高的應用價值。

趙慶賀博士、碩士生宋奧野和工程師趙文光為文章共同第一作者，通訊作者為李舜寧博士和潘鋒。該工作得到了國家材料基因工程重點研發計劃、廣東省自然科學基金項目的大力支持。

參考資料

[1] 北京大學新聞網，深研院新材料學院發現調控質子傳輸能提升高水系鋅離子電池能量密度，http://news.pku.edu.cn/jxky/b6938e47c8ea4dbe83f64ddc014c54ca.htm