华北电力/中科院Nano Micro-Letters：生物质碳集成策略开发生物兼容性水系Zn-MnO2电池正极

水系锌离子电池在大规模储能领域具有巨大发展潜力，利用生物质开发高安全、安全性高的水系锌离子电池(AZIBs)具有重要意义。碳材料与MnO₂的复合也是提升(AZIBs)的重要途径之一。

成果简介

近日，华北电力大学吕玮&徐超/中国科学院丁芳等研究人员成功制备了以葡萄柚果皮为碳源的N掺杂生物质碳负载γ-MnO₂复合正极，实现391.2 mAh g⁻¹的高比容量（0.1 A g⁻¹），结合理论分析和实验数据，从Jahn-Teller效应和Mn畴分布等方面探讨了正极锌离子储能机理。所制备的复合正极材料具有生物安全性，并通过细胞毒性实验验证了其在临床医学应用中的巨大潜力。

图文导读

图1. 微观表征。（a）CP制备示意图；（b）CP-0、CP-10、CP-20、CP-30、CP-40的XRD谱图；（c）CP-0和CP-20的FTIR光谱；CP-20的（d）SAED、（e）和（f）HRTEM、（g）SEM、（h-k）EDS; CP-20的（l）Mn 2p、（m）O 1s、（n）C 1s、（o）N 1s的高分辨率XPS谱。

以葡萄柚果皮为原料制备N掺杂生物质碳材料CP，并通过FTIR、SAED、HRTEM、EDS及XPS测试，充分证明了γ-MnO₂的成功合成，Mn、O、C、N元素的均匀分布及γ-MnO₂与γ-MnO₂在CP上的成功负载。

图2. 理论计算。Zn²⁺嵌入γ-MnO₂和γ-MnO₂@CP隧道结构模型的（a）MSD、（b）E_ads、（c）Bader电荷的理论计算结果。

由理论计算结果得，CP复合策略可改善Zn²⁺动力学，Zn²⁺更容易在γ-MnO₂@CP内部平稳快速迁移，Zn²⁺和纯γ-MnO₂之间的强相互作用会阻碍Zn²⁺的扩散。

图3. 电化学性能。CP-0、CP-10、CP-20、CP-30和CP-40的（a）CV曲线、（b）恒流充放电曲线、（c）高倍率放电能力、（d）200次循环性能和（e）3000次循环稳定性的电化学测试结果。（f）文献与CP-20基于正极活性物质质量计算的能量密度对比图。

电化学测试表明CP复合策略降低了电压极化，且CP-20的极化最小。电流密度为0.1 A g^-1时，CP-20样品的最大放电容量为391.2 mA g^-1，电压滞后最小。循环200次后，CP-0的循环稳定性仅为24.54%，而CP-20的循环性能为89.47%，库伦效率为~100%，表明CP与γ-MnO₂复合后倍率性能更好。且CP-20的能量密度相较于其他报道的相关文献处于领先地位。

图4. 机理分析。（a）CP-0和CP-20第10次循环时F-D/F-C状态下的非原位XRD；（b）F-D状态示意图及OH^–到γ-MnO₂表面的E_ads值；CP-0和CP-20的（c）O 1s、（d）Mn 3s和（e）Zn 2p的XPS高分辨率图谱；（f）纯γ-MnO₂和γ-MnO₂ @CP的MnO₆八面体的Mn-O键距计算值；（g）Mn畴示意图和（h）实际观测Mn畴图样。

机理分析可知，OH^–到γ-MnO₂表面的E_ads值更低，其更易吸附在纯γ-MnO₂表面，促进副产物的形成。XPS图谱Mn价态及Zn 2p峰强度对比可知CP复合策略有助于通过调节Mn价态抑制Jahn-Teller效应。CP复合策略促进了各向异性的Jahn-Teller畸变，提高了γ-MnO₂的结构稳定性。

图5. 体外细胞毒性（a）3T3细胞在处理后不同时间点的相对细胞活性；（b）不同处理下48 h后Calcein AM/PI染色的3T3细胞荧光显微图像；（c）流式细胞仪检测3T3细胞不同处理48 h后的细胞凋亡百分比（Ctrl：PBS处理的细胞）。

细胞毒性测试表明，复合正极γ-MnO₂@CP对细胞活性无明显影响且细胞凋亡率低。比CP-0具有更好的生物安全性。因此，CP复合策略不仅在规模储能领域及临床医学应用方面具有巨大发展潜力。

文献信息

Wei Lv *, Zilei Shen, Xudong Li, Jingwen Meng, Weijie Yang, Ding Fang *, Xing Ju, Feng Ye, Yiming Li, Xuefeng Lyu, Miaomiao Wang, Yonglan Tian, Chao Xu *，Discovering Cathodic Biocompatibility for Aqueous Zn-MnO₂ Battery: An Integrating Biomass Carbon Strategy, Nano-Micro Letters.10.1007/s40820-024-01334-3

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华北电力/中科院Nano Micro-Letters：生物质碳集成策略开发生物兼容性水系Zn-MnO2电池正极

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