通訊作者劉文、任龍濤、Sun Hao通訊單位北京化工大學、河南省科學院智慧創制研究所論文DOI10.1002/adfm.77271. 背景水系鋅錳電池兼具高理論容量、安全、低成本和資源豐富等優勢被視為面向電網儲能的潛在體系。然而Zn-MnO2電池的長期循環穩定性仍受兩類問題制約一是MnO2在沉積過程中易發生非均勻生長、開裂和脫落形成電化學惰性的“死MnO2”二是Mn2/MnO2沉積-溶解反應的電荷/離子傳輸動力學較慢。過去許多策略更關注MnO2溶解過程或引入氧化還原介體但容易帶來鋅負極腐蝕、離子串擾等副作用。因此從沉積起點調控Mn2吸附、成核和MnO2層結構是提升高面容量鋅錳電池循環壽命的關鍵方向。2. 論文概要2026年7月24日北京化工大學劉文任龍濤、河南省科學院智慧創制研究所Sun Hao團隊在期刊《Advanced Functional Materials》發表論文該研究提出一種Cr2O3修飾碳布集流體策略以碳布CC為基底浸漬金屬前驅體后通過快速反應焦耳加熱RJH原位生成Cr2O3納米顆粒工藝上利用高電流脈沖通常100 A mm-2實現毫秒級快速升降溫具體合成過程中樣品在3 s內升至900 ℃隨后2-3 s冷卻至室溫。所得Cr2O3CC在電解液中形成帶負電的界面電雙層增強對Mn2的吸引并提供均勻分散的成核位點引導MnO2均勻沉積同時沉積得到的MnO2富含氧空位和結構缺陷可加快后續MnO2溶解動力學。電化學結果顯示該體系在1 mAh cm-2下穩定循環2500次在2.5 mAh cm-2下循環610次即便在20 mAh cm-2超高面容量下仍可穩定120次進一步放大到流動電池構型后在20 mA cm-2、1 mAh cm-2條件下實現近9500次循環。3. 圖文解讀示意圖 1 Cr2O3CC調控Mn2吸附與MnO2沉積示意圖1概括了Cr2O3CC的界面調控邏輯Cr2O3表面形成帶負電的電雙層可增強水合Mn2在界面附近的富集。相比裸CC上不均勻、易開裂的MnO2層Cr2O3CC誘導更均勻的MnO2沉積使后續放電過程更接近完全溶解從源頭減少“死MnO2”殘留。圖1 反應焦耳加熱制備Cr2O3CC及結構確認圖1展示了Cr2O3CC的制備與基礎表征金屬前驅體吸附在碳布上后經快速焦耳加熱轉化為Cr2O3修飾層。XRD峰與Cr2O3標準卡片匹配說明形成純相Cr2O3Cr 2p XPS顯示Cr3為主同時存在Cr2/Cr5等缺陷相關價態。N2吸附-脫附曲線表明Cr2O3CC比裸CC具有更大界面接觸面積元素映射則證明Cr、C、O分布均勻為后續均勻MnO2成核提供基礎。圖2 Cr2O3CC顯著降低“死MnO2”并保持可逆結構演化圖2通過SEM/EDX、ICP、原位外XRD/Raman和不同充放電狀態SEM直接驗證Cr2O3CC對“死MnO2”的抑制作用。裸CC電池循環后電解液Mn2濃度由0.5 M降至0.15 M并在電極上保留0.047 M Mn殘留而Zn//Cr2O3CC中Mn2消耗和電極Mn殘留都很低。充放電過程中MnO2的XRD與Raman信號可逆出現和消失SEM也顯示沉積層更連續說明Cr2O3CC能夠促進可逆Mn2/MnO2轉換。圖3 界面負電荷、成核模式和氧空位共同解釋沉積調控機制圖3從機理層面說明Cr2O3CC為何有效其Zeta電位為-2.88 mV負電界面主要來自CH3COO-在Cr2O3表面的吸附因此對Mn2具有更強靜電吸引。理論計算和分子動力學結果顯示Mn2更易在Cr2O3CC附近富集電流瞬態曲線更符合三維瞬時成核模型SEM顯示MnO2沉積更均勻。XPS和低溫EPR進一步表明Cr2O3CC上沉積的MnO2具有更高氧空位比例這有助于加快MnO2→Mn2的溶解動力學。圖4 高面容量與流動電池驗證長循環穩定性圖4展示了Zn-MnO2電池的電化學表現Zn//Cr2O3CC具有更大的CV積分面積和更低電荷轉移阻抗說明Mn2/MnO2轉換更快。長循環測試中Cr2O3CC在1 mAh cm-2下可循環2500次、2.5 mAh cm-2下循環610次且在20 mAh cm-2超高面容量下維持120次循環平均放電容量18.86 mAh cm-2。在流動電池構型中Cr2O3修飾碳氈體系在20 mA cm-2、1 mAh cm-2下接近9500次循環顯示出向高面容量儲能體系放大的潛力。4. 總結展望這項工作將快速反應焦耳加熱制備的Cr2O3CC用于調控Zn-MnO2電池的沉積-溶解過程證明“沉積階段”本身決定了后續MnO2可逆性和循環壽命。其核心貢獻在于通過負電界面富集Mn2、均勻成核沉積MnO2、提高沉積MnO2中的氧空位從而同時抑制“死MnO2”形成并加速溶解動力學。面向應用后續仍需進一步驗證Cr2O3CC在更大面積電極、復雜電解液環境、長時間流動電池和鋅負極耦合穩定性中的表現并建立焦耳加熱工藝參數與Cr2O3粒徑、界面電荷和成核密度之間的定量關系。文獻信息:Cr2O3 Induces Uniform Deposition of MnO2 for Enhancing the Long-Cycle Stability of Aqueous Zn-MnO2 Batteries.Yinghong Wang, Jinrui Liang, Wenhai Xu, Xi Chen, Qiaoli Zhang, Mengchao Li, Xiaofeng Liu, Hao Sun, Longtao Ren, Wen Liu | Advanced Functional Materials, 2026, e77272 | DOI: 10.1002/adfm.77272.
