Birnessite材料中的Al Pinning效应在高性能铵离子储存中的应用

《Advanced Materials》：Al Pinning Effect in Birnessite for High-Performance Ammonium-Ion Storage

Al锚定层状birnessite有效抑制J-T效应并提升NH4+离子扩散动力学，实现5000次循环高稳定性，离子扩散系数达1.58×10?9 cm2/s，优于多数催化剂。

　　

摘要

层状双水镁矿（birnessite）因其两电子转移反应（Mn²⁺/Mn⁴⁺）、开放的扩散通道以及可调的层间距，在各种水基储能设备中作为阴极材料受到了广泛关注。然而，用于可逆铵离子（NH₄⁺）储存的双水镁矿通常会因Mn³⁺的Jahn–Teller（J–T）效应以及离子扩散动力学缓慢而出现不可逆的结构崩塌。本研究发现，铝（Al）在双水镁矿中的固定作用可以同时解决这两个问题，从而提高了结构稳定性，并显著提升了离子扩散动力学，使其具有优异的高倍率性能。在最佳组成的Na_0.7Al_0.1Mn_0.9O₂材料中，该材料在1.0 A g^?13+O₆]八面体不仅减少了双水镁矿中的Mn³⁺含量，还增强了Mn─O键的共价性，从而抵抗了[Al³⁺O₆]八面体的共线拉伸/压缩。此外，铝的固定作用还通过调节Mn³⁺─O/Mn⁴⁺─O键的长度来增加层间距，降低了NH₄⁺离子在双水镁矿层间的扩散障碍。因此，NH₄⁺离子的扩散系数达到了1.58 × 10^?9 cm² s^?1，这一数值是原始材料的约5倍，也高于其他阴极材料。研究结果表明，层状Na_0.7Al_0.1Mn_0.9O₂是极具前景的铵离子电池阴极材料，而铝在双水镁矿中的固定作用能够有效抑制J–T效应并同时提升NH₄⁺离子的扩散动力学。

利益冲突

作者声明没有利益冲突。