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文 章 信 息
离子掺杂策略以实现水系锌电池锰基材料更强电化学性能
第一作者：叶浩洁
通讯作者：袁一斐*，李彦帅*，何坤*
单位：温州大学
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研 究 背 景
化学电源作为一种高效、便捷的能源存储技术，近年来受到了广泛关注。在各种化学电源中，水系锌电池因其低成本、高比容量和高安全性等优势脱颖而出。锰基氧化物作为水系锌电池的理想正极材料，具有理论比容量较高、生产成本较低、晶型丰富且绿色环保等特点。然而，锰基材料也存在导电性差、电解液离子扩散速率低、结构不稳定等问题，限制了其在实际应用中的进一步发展。离子掺杂是一种常见的改性策略，已有大量研究表明离子掺杂能够有效提升锰基材料的导电性和循环稳定性。然而，关于离子掺杂具体的改性机理，目前仍缺乏系统的总结与分析。
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文 章 简 介
近日，温州大学袁一斐教授团队在国际知名期刊Nano Energy上发表题为“Review of ion doping and intercalation strategies for advancing manganese-based oxide cathodes in aqueous zinc-ion batteries”的综述文章。该综述文章聚焦于离子掺杂对于水系锌电池锰基材料的改性机理，从“提高导电性、增强电解液离子扩散动力学、改善结构稳定性、抑制锰溶解以及抑制不可逆惰性相生成”五个方面，详述离子掺杂对提高锰基材料电化学性能的原理与机制，以冀为推动水系锌电池锰基材料的进一步发展提供理论指导。
图1. 离子掺杂策略对水系锌电池锰基材料的改性机理示意图。
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本 文 要 点
要点一：离子掺杂对提升锰基材料放电比容量的机理分析
锰基材料导电性差、电解质离子扩散速率低是限制其放电比容量的关键问题。锰基材料禁带宽度较大，电导率通常在10-5至10-6 S cm -1之间，表现出半导体的特性。离子掺杂可以缩减禁带宽度，从而提升电极的导电性；此外，离子掺杂可以通过引入氧原子空位、提供额外的电荷传输路径、优化电子排布及降低离子吸附能共同作用等提高电解质离子的扩散速率，从而提高锰基材料的放电比容量。
某些金属离子及高价离子能够在充放电过程中催化Mn3+/Mn2+的还原反应，参与电极反应，进一步提高锰基材料的放电比容量。
要点二：离子掺杂对提升锰基材料循环稳定性的机理分析
锰元素的溶解、结构稳定性差及不可逆惰性相的生成严重影响了锰基材料的循环稳定性。离子掺杂能够通过缓解姜泰勒效应来减少锰元素溶解；通过形成更强的化学键/氢键和优化电子排布来提高锰基材料结构稳定性；通过调控反应的动力学过程来减缓不可逆惰性相的生成。
要点三：密度泛函理论（DFT）及原位表征技术的应用
DFT计算和原位表征技术在揭示离子掺杂的改性机制中发挥了关键作用。DFT计算能够评估离子掺杂后材料的结构稳定性，并深入探究离子掺杂对充放电过程中电解液离子传输动力学的影响，为理解离子掺杂的作用提供了理论依据；原位表征技术则可以在充放电过程中实时监测电极材料的结构演变及产物的生成情况，为理解离子掺杂的作用机制提供了现实依据。
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文 章 链 接
Review of ion doping and intercalation strategies for advancing manganese-based oxide cathodes in aqueous zinc-ion batteries
https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2025.110740
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通 讯 作 者 简 介
袁一斐教授简介：
温州大学教授，博士生导师，美国密歇根理工大学获得材料学博士。研究方向为新能源材料的开发和能源转化与存储关键反应的原位溯源研究，并有针对性地提出性能优化措施。主持国家重点研发计划、国家自然科学基金、浙江省杰出青年基金、温州市高水平创新团队等项目。相关研究成果已在Nature Energy等国际刊物上发表，H指数72。担任国际学术期刊Carbon Energy副主编，Nature Energy 等期刊审稿人。入选MIT-TR35亚太区榜单、中科协指导评选的“中国新锐科技人物”榜单、斯坦福大学发布的全球Top 2%科学家榜单，获温州大学校长特别奖。
李彦帅博士简介：
硕士生导师，于2022年6月在燕山大学获得材料学博士学位，同年加入温州大学化学与材料工程学院。已在Advanced Materials, ACS Energy letters, Advanced Functional Materials, Nano Energy等高水平期刊发表SCI论文三十余篇。主持承担国家自然科学基金青年项目、浙江省自然科学基金等多项课题。主要研究方向是利用原位透射电子显微镜技术对能源电池材料进行实时的电化学研究，揭示电池材料工况条件下的反应/失效机理。
何坤教授简介：
温州大学瓯江特聘教授，伊利诺伊大学芝加哥分校获博士，曾在美国西北大学纳米分析测试中心任博士后和助理研究员。主要从事原位电镜在材料生长、形核和失效的纳米尺度研究。探索和揭示材料的结构与复杂环境关系的基础研究。着重于原位液态电镜技术应用于生物材料的矿化、电池材料的失效及原位气态电镜探索催化剂在气态下的失效原理研究。迄今，以第一/通讯作者发表在 Science Advances, Nature Sustainability, Nature Communications等期刊发表论文40余篇。
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