轨道能级工程调控：高自旋3d锰介导VO2电子结构提升水系铵离子电池耐久性

本文提出通过高自旋3d过渡金属（Mn）的d电子介导轨道能级协同策略，调控隧道型钒氧化物（VOM）结构，显著提升水系铵离子电池（AAIBs）的能量密度（达63.5 Wh kg?1）。研究揭示了氢键化学储能机制，并通过DFT计算证实Mn引入可定向优化钒（V）的电子结构，降低NH4+扩散势垒，为高性能AAIBs材料设计提供了新思路。

　　

Highlight

本研究首次提出基于高自旋3d过渡金属（Mn）d电子介导的轨道能级协同策略，调控隧道型钒氧化物（VOM）结构，助力水系铵离子电池（AAIBs）实现高能量密度。通过自旋轨道耦合（SOC）效应诱导的电荷补偿机制，显著优化了VO₂的电子结构。

Results and discussion

如图2a所示，我们采用简易水热法一步合成VOM与VO₂。以V₂O₅和Mn(Ac)₂为原料，H₂O₂作为质子化配体促使V₂O₅形成复合物，无水乙醇为还原剂。通过调控Mn摩尔含量（3%、5%、7%），发现5% Mn掺杂的VOM表现出最优电化学性能——在0.2 A g^?1电流密度下容量达270 mAh g^?1，远超纯VO₂（197 mAh g^?1）。

Conclusion

总结而言，高自旋Mn的引入通过d电子介导效应，定向调控VO₂的电子能带结构，降低NH₄⁺扩散势垒。VOM//PANI电池体系能量密度突破63.5 Wh kg^?1，为AAIBs的电网级应用提供了新材料设计范式。