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发掘水系Zn-MnO2电池正极生物相容性：生物质碳集成策略

能源学人 · 公众号 · · 2024-02-24 10:17

正文

【研究背景】

随着全球碳排放的不断增加，生物质能源作为一种绿色可再生、可生物降解、无毒的能源备受关注。利用生物质开发高安全、绿色的大规模储能技术，对于构建清洁低碳的现代能源体系具有重要意义。环保、安全性高的水性锌离子电池(AZIBs)在大规模储能领域具有巨大潜力。MnO₂由于结构多样、环境友好等特点被广泛用作AZIBs的正极材料，但在充放电过程中存在结构变形、副反应及Jahn-Teller效应等问题。碳材料与MnO₂的复合被认为是优化水性锌-MnO₂电池正极性能的重要途径之一。目前，与二氧化锰复合的碳材料主要是基于碳纳米纤维、碳纳米管等传统的商业材料，如何利用锰基阴极复合生物质碳材料，特别是廉价可再生的生物质废弃物来提高Zn²⁺存储性能的研究仍然很少。因此，探索可持续和可再生的生物质资源以提高MnO₂的结构稳定性将是一个“双赢”的战略。

【工作介绍】

近日，华北电力大学吕玮&徐超团队联合中国科学院丁芳团队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），循环3000圈具有92.17%的优异循环稳定性（5 A g⁻¹），能量密度高达553.12 Wh kg⁻¹，库伦效率接近100%。此外，通过体外细胞毒性实验进一步探索了复合正极材料的生物安全性，验证了其在临床医学应用中的巨大潜力。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。该研究对高性能绿色环保Zn-MnO₂电池生物质复合正极的开发及应用具有指导意义。该研究以“Discovering Cathodic Biocompatibility for Aqueous Zn-MnO₂ Battery: An Integrating Biomass Carbon Strategy”为题发表在国际顶级期刊Nano-Micro Letters上。

【内容表述】

图1.（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。

图2. 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。

图3. 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。

图4.（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。

图5. （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）。

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.

https://doi.org/10.1007/s40820-024-01334-3

通讯作者简介

吕玮，华北电力大学副研究员，主要研究领域为水系储能电池关键材料的开发，在Nano-Micro Letters、Nano Energy、Energy Storage Materials等期刊发表科技论文40余篇，授权发明专利10余项，担任《eScience》、《Nano Research Energy》、《Next Materials》、《Energy Materials and Devices》、《Rare Metals》、《Green Carbon》等期刊青年编委，MDPI客座编辑，Energy Storage Materials、Carbon Energy、Rare Metals、Carbon Research、International Journal Of Hydrogen Energy等期刊审稿人，获“中国材料学会科学技术奖一等奖”等荣誉，兼任科技部专家库成员、科创中国新材料专家、有色金属智库认证专家、中国华能集团评标专家、中国电子材料行业协会科学技术委员会委员，承担及参与多项国家重点研发计划、国家自然科学基金、装备预研基金、中央高校专项资金等项目。

丁芳，中国科学院生物物理研究所助理研究员，美国University of Wisconsin, Madison联培博士（师从James Ntambi），中国科学院化学所博士后，主要研究领域：干细胞与肿瘤发生、纳米药物递送、RNA转录调控等，相关成果发表在Biomaterials、 Nanoscale Horizons、INT J BIOL SCI等期刊，主持协和医学院青年创新基金1项，参与多项国家重点研发计划项目和国家自然科学基金面上项目，Adv Sci、SCI Total Environ等期刊审稿人。

徐超，华北电力大学教授，长期围绕新能源领域中涉及的多场耦合复杂传输现象中的关键科学问题开展基础和应用基础研究，获第三批国家“万人计划”青年拔尖人才、中国工程热物理学会吴仲华优秀青年学者、中国可再生能源学会优秀青年科技人才等荣誉，先后主持国家自然科学基金优秀青年基金、国家973项目课题、国家重点研发计划子课题等国家级项目6项，参加国家自然科学基金委创新群体项目1项，担任中国动力工程学会学术委员会委员、中国工程热物理学会传热传质分会青年工作委员会委员、中国可再生能源学会青年工作委员会委员、全国太阳能光热发电标准化技术委员会委员、《Science Bulletin》和《IET Renewable Power Generation》副主编、《Energies》和《Frontiers in Heat and Mass Transfer》编委，发表SCI学术论文100余篇，获国家授权发明专利7项。

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