一种对Fe3+离子响应的MnO2/Mn2+阴极，用于锌离子电池：在充电过程中将Fe3+掺入MnO2中可加速放电过程中的材料溶解

《ACS Applied Energy Materials》：An Fe3+-Responsive MnO2/Mn2+ Cathode for Zinc-Ion Batteries: Fe3+ Incorporated into MnO2 during Charging Accelerates its Dissolution during Discharging

MnO?/Mn2?阴极系统在醋酸缓冲电解液中实现可逆两电子充放电，Fe3?作为固体氧化还原介质促进MnO?完全溶解并抑制自放电，Mn3?氧化物经Fe2?还原实现循环。Zn-碳 felt电池展现909 Wh kg?1能量密度。

　　

我们提出了一种新型的MnO₂/Mn²⁺阴极系统，该系统能够在微酸性的醋酸盐缓冲电解质中实现可逆的双电子充放电循环。在采用碳布作为工作电极的三电极配置中，即使在低负载下也能实现高度可逆的MnO₂溶解过程。然而，在较高的MnO₂负载下，溶解不完全会导致材料在电极表面堆积。加入Fe³⁺显著提升了放电速率。在充电过程中，Fe³⁺会融入MnO₂基质中，作为固相氧化还原介质促进MnO₂的完全溶解，即使在电解质中不存在Fe³⁺的情况下也是如此。Fe³⁺在+0.4 V（相对于Ag/AgCl）以上的电位下保持电化学惰性，从而减少了自放电现象。结构和光谱分析表明，在质子受限的条件下，MnO₂会部分还原为钝化的Mn³⁺氧化物（如Mn₂O₃或Mn₃O₄）。残留的Mn³⁺相通过Fe²⁺（在+0.4 V以下阴极条件下生成）被还原为Mn²⁺，从而完成溶解过程。生成的Fe²⁺通过氧化还原反应进一步还原Mn³⁺氧化物。在电极处，Fe³⁺的再氧化过程得以电化学抑制，从而使整个氧化还原循环持续进行，直至Mn氧化物完全溶解。在一个定制的Zn–碳毡双电极电池中，该系统实现了超过90%的库仑效率（5 mAh cm^–2），能量密度为909 Wh kg^–1，功率密度为364 W kg^–1（基于阴极活性材料MnO₂）。