尽管电解型Zn-MnO₂电池因其出色的输出电压和高理论容量而备受关注，但自由Mn³⁺的自发歧化反应以及无序沉积的非活性MnO₂导致Mn²⁺/MnO₂转换反应的可逆性较低，严重影响了其循环稳定性。
在此，中南大学周江团队提出了一种基于双向电化学-化学模型的新型水性SiO₂胶体电解液与FeSO₄介质（记作SF电解液），用于双重调控MnO₂的沉积/溶解过程。在充电过程中，位于碳毡界面和电解液本体相中的SiO₂胶体颗粒同时为扩散的Mn³⁺提供了足够的歧化反应位点，引导MnO₂的有序快速沉积。
与此同时，在放电过程中引入的Fe²⁺介质能够与电解液中SiO₂颗粒上的MnO₂充分反应，从而进一步实现Mn²⁺/MnO₂的高效转换。基于此，采用SF电解液的电解型Zn-MnO₂电池能够在10 mA h cm⁻²下稳定运行550个循环，并在20 mA h cm⁻²的高面积容量下展现出优异的可逆性。
图1. SF电解液构建的Zn-MnO₂电池示意图
总之，该工作提出并验证了一种对MnO₂溶解/沉积反应进行双向电化学-化学控制的高效策略，极大地提升了电解型Zn-MnO₂电池的电化学性能。研究显示，SiO₂和Fe²⁺/Fe³⁺氧化还原对在充电和放电过程中协同实现Mn²⁺/MnO₂的高效电化学-化学转化。
在充电过程中，发生自发歧化的Mn²⁺和Mn³⁺被引导在带负电的SiO₂表面快速、异质成核，从而促进了Mn³⁺歧化反应的有序、高效进行，实现了化学与电化学过程的协同。随后，在放电过程中，Fe²⁺/Fe³⁺氧化还原对高效促进了MnO₂的化学溶解，显著增强了电池的循环稳定性。
基于此，组装的电池在10 mA h cm⁻²的大面积容量下实现了550个循环的稳定循环。此外，规模化的自制Zn-MnO₂电池（1000 mA h）展现出200个循环的优异循环稳定性和96%的库仑效率。因此，该工作为电网级储能应用中的长寿命、稳定Zn电池提供了机会。
图2. 由胶体电解液构建的Zn-MnO₂电池的结构示意图及其电化学性能
Achieving Highly Reversible Mn2+/MnO2 Conversion Reaction in Electrolytic Zn-MnO2 Batteries via Electrochemical-Chemical Process Regulation, Angewandte Chemie International Edition 2025 DOI: 10.1002/anie.202423999
周江，中共党员，中南大学材料科学与工程学院教授，博士生导师，英国皇家化学学会会士（Fellow of the Royal Society of Chemistry，FRSC）。国家万人计划青年拔尖人才、科睿唯安全球高被引科学家（2021年至今），爱思唯尔中国高被引学者（2021年至今）、湖南省科技创新领军人才、湖南省杰出青年科学基金获得者、湖湘青年英才（科技创新类）。以一作或通讯作者在Nature Commun., Natl. Sci. Rev., Adv. Mater., Energy Environ. Sci., Angew. Chem., Matter, Nano-Micro Lett., Adv. Energy Mater., Adv. Funct. Mater., ACS Energy Lett., ACS Nano, ACS Mater. Lett., Nano Energy, Energy Storage Mater., Adv. Sci., Acta Mater., Sci. Bull., Nano Res.,科学通报等期刊发表论文100余篇，被引33000余次，H-index指数92。