近日，我校化学与化工学院黄海舰副研究员团队在水系锌离子储能领域取得系列进展。团队围绕水系锌电二氧化锰正极结构退化以及自修复水凝胶电解质中“自修复能力-离子传输效率”的固有矛盾两大关键科学问题，揭示了非晶结构诱导的二氧化锰电子结构调控效应和离子输运级联协同机制，为构建长寿命、高倍率的锌基储能器件提供了材料基础与理论支撑。研究成果分别发表于国际权威期刊《美国化学会志》（Journal of the American Chemical Society）和《先进功能材料》（Advanced Functional Materials）。两篇论文的第一完成单位均为合肥工业大学，我校黄海舰副研究员为两篇论文的第一通讯作者。

水系锌离子储能技术凭借本征安全性、环境友好性与经济适用性，成为下一代储能技术的重要发展方向。然而，该体系的实际应用仍面临多重关键瓶颈。在正极侧，二氧化锰因理论容量高、成本低廉成为最具应用前景的正极材料之一，但其充放电过程中生成的Mn³⁺会引发Jahn-Teller畸变，造成晶格应力、锰溶解与结构坍塌。传统掺杂、缺陷工程等改性手段作用范围局限，而非晶化虽能发挥全局调控作用，但其稳定性提升机制长期仅被归因于宏观体积缓冲，背后的深层电子结构本质尚未被揭示，且非晶材料本征导电性差，进一步制约了倍率性能的提升。在电解质侧，自修复水凝胶被认为是提升界面稳定性、抑制锌枝晶的有效方案，但强动态键在赋予自修复能力的同时会增大基体黏度，阻碍体相离子扩散，且电极-电解质界面缺乏适配的离子传输通道，界面扩散成为动力学瓶颈，同时高含水量易引发析氢、锌腐蚀等副反应，自修复性能与离子电导率、界面稳定性难以兼得。

图1.非晶化对MnO₂电子结构的调控机制分析

围绕二氧化锰正极的结构衰变难题，团队联合香港城市大学郭再萍教授、中国科学院合肥物质科学研究院/格里菲斯大学赵惠军教授，在《美国化学会志》发表的研究中，从电子结构层面重新诠释了非晶化的稳定机制。研究发现，非晶结构对稳定性的提升并非仅源于宏观体积缓冲，其本质是通过降低配位对称性预解除Mn的d轨道简并，从而消除Jahn-Teller畸变的内在驱动力；同时，非晶化破坏了Mn−O−Mn桥连的磁交换网络均匀性，阻断了局域畸变的长程协同传播，从根源上避免了循环过程中的渐进式结构坍塌。在此基础上，团队进一步引入钴掺杂，利用Co³⁺的空e_g轨道与O 2p、Mn 3d轨道杂化，优化费米能级附近电子态，提升材料导电性并促进质子嵌入，实现了结构稳定性与反应动力学的协同提升。研究工作对非晶化的认知从传统的“力学缓冲”提升至“量子力学源头调控”的新角度，为解决MnO₂乃至其他受Jahn-Teller畸变困扰的电极材料提供了设计思路。

图2. PVA-B水凝胶电解质体系高离子电导率机制分析

针对水凝胶电解质的核心矛盾，团队发表于《先进功能材料》的工作构建了聚乙烯醇-硼砂（PVA-B）负载三氟甲磺酸锌盐的动态交联水凝胶电解质体系。研究揭示了一种“体相-界面级联协同”的离子输运增强机制。体相内，PVA-B网络形成的异质静电环境引导Zn²⁺沿聚合物链以低能垒跳跃机制定向迁移，结合盐解离增强与三维多孔传质通道，实现了高离子电导率；同时，该基体能够原位诱导生成富含ZnF₂、ZnS的高Zn²⁺传导性有机-无机复合固态电解质界面，显著降低界面扩散阻抗；此外，水凝胶网络可重构Zn²⁺溶剂化鞘层，减少自由水含量，有效抑制水致副反应并降低去溶剂化能垒。基于此电解质体系，研究团队构筑了高性能、长寿命的水系锌电储能器件。研究工作为解耦水凝胶自修复性与离子传输约束提供了可行的设计路径。

原文链接：

https://doi.org/10.1021/jacs.6c08162

https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.78810

（黄海舰/文 黄海舰/图 李平/审核）

责任编辑：张彤奕佳