『水系锰基电池』南京信息工程大学 Nano-Micro Letters:水系可充锰电池全链条综述 —— 机理、电极、电解液与未来展望
水系锰电池兼具低成本、高安全、高电压潜力，但Mn²⁺溶剂化、歧化副反应、 Jahn-Teller 畸变、析氢竞争四大本征难题严重制约发展：1）Mn²⁺水合半径大、溶剂化能高，脱溶剂势垒大、扩散动力学迟缓；2）Mn³⁺热力学不稳定，易发生歧化反应与 Jahn-Teller 畸变，导致结构坍塌与 Mn 溶解；3）Mn 金属负极电位极低，析氢反应（HER）剧烈，库仑效率与循环稳定性极差；4）反应机理复杂，Mn²⁺/H⁺共嵌入、溶解 - 沉积、两相转化并存，界面演化难以调控。在不牺牲电压与容量的前提下，同步实现稳定负极、高效正极、可控电解液，是水系锰电池走向实用化的核心瓶颈。本综述系统性梳理水系可充锰电池最新进展，聚焦反应机理、电极设计、电解液调控三大核心方向：阐明Mn/Mn²⁺/Mn³⁺/MnO₂多元氧化还原与Mn²⁺/H⁺共嵌入机制，揭示溶剂化与界面演化规律；分类总结钒基氧化物、普鲁士蓝类似物、有机材料三类正极，以及 Mn 金属、嵌入型、转化型三类负极的改性策略；提出电解液溶剂化重构、pH 缓冲、功能添加剂、共溶剂 / 凝胶化四大调控手段，抑制副反应并拓宽窗口；指明未来发展路径：高熵结构、抗畸变骨架、溶剂化精准调控、原位表征、AI 辅助设计。①体系原创：首次完整构建机理 - 电极 - 电解液三位一体综述框架，清晰呈现水系锰电池发展脉络；②机制突破：揭示Jahn-Teller 畸变、Mn³⁺不稳定性、Mn²⁺强溶剂化三大本征限制与对应破解方案；③策略突破：提出负极抑析氢、正极抗畸变、电解液调溶剂化全链条协同设计原理；④前瞻突破：指明无锰金属摇椅式、准固态、AI 高通量筛选下一代实用化方向。图1 a 不同金属元素性质的比较。b AMIBs近期发展的时间线图2 a Mn Pourbaix图；b 电极材料的关键存储机制，包括沉积-溶解反应、转化反应以及插层/脱层反应；c AMIBs电极与电解质的核心挑战；d AMIBs采用的代表性策略。图3 a 二氧化钒在不同电解质中于0.5 A g⁻¹电流密度下的X射线衍射（XRD）曲线；b恒电流充放电（GCD）曲线；c 通过三维 TOF -SIMS图像揭示的Mn²⁺/质子协同嵌入的能量存储机制；a–c 经许可转载[51]；d AlVO在0.5 mV s⁻¹电流密度下的CV曲线；e AlVO放电机制示意图，显示Mn²⁺和H⁺的连续嵌入过程；f 选定能态下O 1s的原位X射线光电子能谱（XPS），证实了Mn (OH)₂的形成；图 4 高熵 PBA 与有机羰基正极设计。(a) 高熵 PBA 结构；(b) Mn²⁺/H⁺吸附能；(c) 应力分布；(d) 循环曲线；(e) 4-Cl-BQ@rGO 的 CV；(f) 倍率性能。(g) 在0.2 mV·s⁻¹电流密度下的CV曲线。(h)不同比电流下rGO及4-Cl-BQ@rGO复合材料的电容值。(i)第一条 GCD 曲线，图中展示了4-Cl-BQ分子在不同充放电状态下的示意图。图5 a Mn@MIL制备过程的示意图；b 不同界面层的三维光学表面形貌图像。从左至右分别为裸露的Mn||1M/6M氯化锰||Mn，以及1M/6M Mn@MIL||1M氯化锰||1M/6M Mn@MIL。6M Mn@MIL电池表现出最均匀的锰沉积。a、b 经许可转载[42]。c Mn及MnP合金的 LUMO 能级。随着合金化过程中磷含量的增加，HOMO能级降低，从而降低了析氢反应（HER）的发生倾向。d 对称电池在2 mA cm⁻²/1 mAh cm⁻²电流密度下的循环稳定性；e Mn和MnP阳极的原位照片（侧视图）。图6 a β - PTCDA 的粉末X射线衍射Rietveld精修图。b β - PTCDA 电极在不同溶液中循环后的循环稳定性及隔膜图像。a、b经许可转载[33]。c α - PTCDA 的 XRD 图谱（插图为晶体结构示意图）。d α - PTCDA 在0.1 M MnSO4中的GCD曲线；e α - PTCDA 在0.1、1.0和2.0 M MnSO4中2.0 A g−1电流密度下的循环稳定性图7 a：半电池在0.2 mV s⁻¹电流密度下的循环伏安（CV）曲线；插图展示了半电池的结构构造。b：选定能级下的原位 SXRD 光谱与拉曼光谱；c：工作条件下S K边 XAFS 光谱的形貌图；d：S 2p轨道的原位 XPS 光谱；e：完整转化路径的示意图。本综述系统建立水系可充锰电池机理 - 材料 - 电解液全链条认知体系，直指核心瓶颈与破局路径：1）机理层面：Mn²⁺/H⁺共嵌入、Mn³⁺歧化、Jahn-Teller 畸变、强溶剂化是本征限制；2）正极层面：钒基高容量、PBA 长寿命、有机高可持续，需抗畸变、耐溶解、择质子设计；3）负极层面：Mn 金属 HER 剧烈，界面工程、合金化、无锰摇椅式是主流解决方案；4）电解液层面：溶剂化重构、pH 缓冲、功能添加剂是抑制副反应、拓宽窗口的核心手段。该综述为开发高安全、低成本、长寿命、高电压水系锰电池提供系统性理论指导与设计范式。Emergence of Rechargeable Aqueous Manganese Batteries.Nano-Micro Letters, 2026; https://doi.org/10.1007/s40820-026-02174-z本文内容来源于学术研究论文，版权归原作者所有。转载旨在分享学术成果，仅供参考，不构成任何应用建议。如涉及作品内容、版权或其他问题，请及时联系处理。
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