华北电力大学&中国科学院Nano Micro-Letters：水系Zn-MnO2电池正极生物兼容性—生物质碳集成策略

研究背景

随着全球温室效应日益加重，人们越来越关注绿色可再生、可生物降解、无毒的生物质能源。在构建清洁低碳的现代能源体系方面，利用生物质开发高安全性、绿色的大规模储能技术具有重要意义。在大规模储能领域，环保、安全性高的水性锌离子电池(AZIBs)展现出巨大潜力。虽然MnO₂由于结构多样、环境友好等特点而被广泛应用于AZIBs的正极材料，但在充放电过程中却存在着结构变形、副反应及Jahn-Teller效应等问题。因此，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化材料，利用可再生廉价生物质废弃物碳源提高MnO₂性能的研究仍然较少。因此，探索可持续、可再生生物质资源在水系Zn-MnO₂电池的应用意义重大。

制备示意图

成果简介：

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%，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。此外，研究人员通过体外细胞毒性实验进一步验证了正极材料的生物相容性，证实了其在临床医学应用中的潜力。该研究成果发表在国际顶级期刊Nano-Micro Letters上，题为“Discovering Cathodic Biocompatibility for Aqueous Zn-MnO₂ Battery: An Integrating Biomass Carbon Strategy”，本项工作成功开发了一种将生物质废物转化为生物相容性正极材料的新方法。

图文解读

图1 微观表征。

图2 理论计算。

图3 电化学性能。

图4 机理分析。

图5 体外细胞毒性试验。

文献链接：

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。