武汉理工麦立强教授等在《自然·催化》发表最新成果：成功研制超快充水系锌离子电池

电池的超快充电特性对于便携式电子设备和电动汽车等储能设备至关重要。然而，受限于传统离子穿梭模型，电化学储能器件的倍率性能难以实现新的突破。近日，武汉理工大学麦立强教授团队与新西兰奥克兰大学王子运教授、美国阿贡国家实验室Khalil Amine院士、浙江大学陆俊教授合作，提出了一种基于Zn²⁺催化水裂解及其产物*OH存储为主导的电池快充机制，通过氮化钒与ZnSO₄的最优化组合，实现了超高的倍率性能。相关研究成果以“Zn²⁺-mediated catalysis for fast-charging aqueous Zn-ion batteries”为题发表在《Nature Catalysis》上。这是武汉理工大学首次以第一完成单位在《Nature Catalysis》上发表的高水平研究论文。

论文链接：https://www.nature.com/articles/s41929-024-01169-6

成果简介

本工作提出了一种基于催化机理实现的超快充储能模型。与传统离子穿梭模型的行为不同，催化储能模型的核心是水裂解过程中*OH的吸脱附，通过调节溶剂化的金属离子和固体正极对水裂解的作用，实现了超高倍率的*OH存储。这项工作为为开发高功率、高安全的储能系统提供了新的理论基础和技术路径。

论文内容

近年来，具有超快充特性的水系锌离子电池（AZIBs）吸引了广泛研究和关注。然而，其底层储能机制尚未得到充分解释。具体而言，在传统的离子穿梭理论中，阳离子在正负极材料之间及电解液中穿梭实现充放电。根据这一理论，电池充电速率与阳离子的电荷半径比（q/r）相关。通常，较高的q/r值会导致较高的固相迁移势垒和水合焓。前者使得离子难以在电极材料内部扩散，后者使其难以穿过电极-电解液界面。因此，该理论预测下Zn²⁺的动力学应慢于Li⁺和Na⁺等单价离子。反常的是，AZIBs报道的倍率性能远超其他单价和多价金属离子，表明可能存在未被揭示的电荷存储机制。

研究表明，AZIBs的高倍率性能通常与H⁺/H₂O/OH^-的嵌入/赝电容行为相关，但这些物种存在于所有水系金属离子电池（AMBs）中，并非AZIBs独有，因此，Zn²⁺可能在增强H⁺/H₂O/OH^-存储方面发挥了独特作用。H⁺/H₂O/OH^-也是电催化研究中的关键物种，且电催化中的反应速率远超电池中的反应速率。鉴于*OH吸附行为在析氧反应（OER）、氧还原反应（ORR）及AZIBs中具有共性，基于水裂解及*OH吸脱附的电荷存储可能解释AZIBs的高倍率性能。在Zn²⁺的帮助下，水裂解及*OH吸脱附的动力学显著加快，提供了不同于传统离子穿梭模型的快充机制。

电极（E）和溶剂鞘中的金属离子（M）对水的吸附行为显著影响其裂解反应速率和产物，本工作调控了E-H₂O和M-H₂O之间的协同作用以实现更高的速率。DFT计算结果表明，E和溶剂化的Mn⁺对于水裂解活性的影响可以分别通过它们的d带中心和离子电负性进行量化。基于此，本工作定义并计算了大量正极材料和溶剂化Mn⁺上的OH吸附能，将水裂解活性与电极材料（ΔGOH(E)）和溶解金属离子（ΔGOH(M)）对OH的吸附能进行了组合对比。结果显示了两个不同的区域：强吸附区域和适度吸附区域。前者可能导致金属氧化物或氢氧化物的形成，而后者在正极材料和金属离子对OH的吸附能力之间达到了更好的平衡。VN位于适度吸附区域中心，展示了最佳的吸脱吸平衡和快速的水裂解动力学。因此，VN与Zn²⁺的组合有望实现最佳水裂解活性。

常规VN在水中和空气中极易氧化，从而打破模型预测的最佳VN-Zn²⁺平衡。通过构筑的三维多孔还原氧化石墨烯气凝胶限域VN纳米簇，本工作成功合成了模型预测的纯VN（VN@rGO）。使用水系ZnSO₄电解液时，VN-Zn²⁺组合主要通过水解离生成的OH的可逆吸脱附有效完成了存储过程。实验结果确定了Zn²⁺-VN组合提供了接近最优的OH吸脱附过程，实现了快充性能——在300,000 mA g^-1的高电流密度下容量达到577.1 mAh g^-1。

图文导读

图1. 水系锌离子电池性能反常及催化储能模型

图2. 理论预测与最优化正极材料/电解液金属阳离子筛选

图3. 模型预测的纯VN@rGO构筑

图4. 水裂解及*OH储能机理

图5. 高倍率、长循环电化学性能

通讯作者简介

麦立强，武汉理工大学首席教授，博导，副校长，国家杰青（2014），长江学者（2016），“万人计划”领军人才（2016），国家重点研发计划首席科学家，英国皇家化学会会士（2018），中国微米纳米技术学会会士（2022），中国化学会会士（2023）。材料化学与功能材料领域知名专家，长期从事新能源材料与器件科学技术及应用研究，构筑了国际上第一个单根纳米线器件电子/离子输运原位表征的普适新模型，建立了调控电化学反应动力学的“麦-晏”场效应储能等电子/离子双连续输运理论，突破了储能材料与器件的批量化制备技术，并实现成果转化与应用。在Nature（3篇）、Science（1篇）等刊物发表SCI论文610余篇，其中以第一或通讯作者发表Nature 2篇、Nature子刊及Cell子刊24篇，SCI他引1000次以上1篇、800次以上5篇、400次以上20篇，高被引论文117篇，热点论文26篇，SCI总他引5.6万余次，撰写中文专著2部、英文专著2部、英文专著章节2部，参编《中国材料科学2035发展战略》1部。获授权国家发明专利148项，其中28项专利与华为等31家企业进行产学研成果转化与应用。主持国家重大科研仪器专项等国家级项目30余项。以第一完成人获国家自然科学二等奖、何梁何利基金科学与技术创新奖、国际电化学能源科学与技术大会卓越研究奖（每年仅2人）、国际车用锂电池协会卓越研究奖、国家教学成果二等奖、教育部/湖北省自然科学一等奖（3项）和中国材料研究学会技术发明一等奖，连续五年入选科睿唯安全球高被引科学家。

王子运，新西兰奥克兰大学副教授、计算化学家。2015年博士毕业于英国女王大学，师从胡培君院士。先后在斯坦福大学（合作导师 Jens K. Nørskov院士）和多伦多大学（合作导师Edward H. Sargent院士）从事博士后研究，主要研究方向包括二氧化碳电还原的理论计算、人工智能辅助多相催化设计和表面微动力学。以通讯作者或（共同）第一作者发表文章40余篇，其中Nature 2篇，Nature Catal. 5篇，Nature Energy 1篇，Nature Commun. 3篇， J. Am. Chem. Soc. 7篇。文章被引10000余次，H因子45，入选斯坦福大学全球前2%顶尖科学家榜。 

Khalil Amine 研究员，美国阿贡国家实验室高级院士，美国国家研究领事成员，ABAA（先进的动力汽车用锂离子电池国际例会，2009年创立）的创始人和主席，《Nano Energy》期刊副主编。目前已发表学术论文400余篇，被引近3万次。

陆俊，浙江大学讲席教授，国家级高层次人才。2000年毕业于中国科学技术大学，获得学士学位；2008年毕业于犹他大学，获材料科学博士学位。回国前任美国阿贡国家实验室化学研究员（终身教授）。研究领域聚焦在高性能正极/负极材料、先进表征技术、锂金属电池、锂硫电池、锂空电池、下一代电池技术以及电池回收等方面，主持或参与了储能电池电极材料及其关键技术、催化材料设计与合成等多个研发项目，以通讯作者/第一作者发表SCI收录论文超过500篇，其中包括Science、Nature及其子刊Nature Energy、Nature Nanotechnology、Nature Catalysis、Nature Review Materials、Nature Communications共计超过60篇，论文总引用数超过60000次，H指数超过137；在2018−2022年连续入选科全球高被引科学家，尤其是2021-2022年连续在材料科学和化学双学科领域入选，专利超过20项；担任ACS Applied Materials & Interfaces副主编，电化学协会（ECS）电池分部成员，国际电化学能源科学院副委员和董事会委员，荣获电化学能源存储与转换领域内20多项重要奖励，包括全球百大科技研发奖（2019, R&D 100 Award，即美国科技界的“奥斯卡”创新奖）、美国电化学会电池分会技术奖（Battery Division Technology Award, ECS, 2022）、美国化学会能源与燃料部（ENFL）电化学储能杰出研究员奖（2022）、国际电池材料协会（IBA）杰出研究奖（2022）。