水系锌离子电池的高安全性、低成本、高体积比能量和环境友好，被认为在电网储能系统与可穿戴设备中具有广泛的应用前景。基于质子反应和Mn2+沉积/溶解机制的二氧化锰正极因高理论容量和高氧化还原电位，是最具产业化潜力的锌锰电池正极材料。然而，水系锌离子电池中质子参与二氧化锰反应会导致一系列问题，如碱式硫酸锌的生成、电解液pH值剧烈波动、电解质消耗等，从而导致电池反应动力学迅速下降、电池容量降低、循环寿命降低等问题。

图1 SATP/MnO2反应过程示意图

催化领域中的固体酸可以通过固相反应将质子反应限制在固体酸表面。将其与二氧化锰复合，不仅为二氧化锰反应提供质子，还可以将质子反应限制在固体酸和二氧化锰界面，减少电解液质子消耗。近日，环境与材料工程学院姜付义教授团队在自然指数期刊Advanced Functional Materials（IF：19）上发表题为《Proton Self-Limiting Effect of Solid Acids Boosts Electrochemical Performance of Zinc-ion Batteries》的学术论文。该工作选取了工业催化中常用的固体酸磺酸型聚苯乙烯-二乙烯基苯（SATP），通过一步水热法合成了SATP/MnO2混合物，并组装了Zn//SATP/MnO2电池。电化学测试结果表明，SATP的引入显著提高了锌锰电池的倍率性能和循环稳定性。通过原位pH、原位X射线粉末衍射、非原位XPS、高分辨透射电子显微镜、扫描电子显微镜等手段，研究了SATP对二氧化锰反应机制的影响，结果表明，SATP可以作为一种新的质子源，为二氧化锰反应提供和吸收质子，并且将部分质子反应限制在SATP/MnO2界面处，从而提高了放电阶段MnO2的溶解、减少碱式硫酸锌的生成、加快了MnO2的电化学反应动力学。该工作为研发高性能水系Zn-MnO2电池提供了一种新的思路。

该论文以烟台大学为第一单位，硕士研究生陈梦婷为第一作者，姜付义教授、刘文宝博士及清华大学康飞宇教授为论文通讯作者，相关工作得到了国家自然科学基金、山东省自然科学基金的资助。

原文链接：https://doi.org/10.1002/adfm.202404983