华电徐超、吕玮/中科院生物物理所丁芳 NML：采用生物质碳集成策略开发生物兼容的水系Zn-MnO₂电池正极

随着全球生态环境的持续恶化，亟需开发新型绿色可再生、可降解的生物质能源。因此，开发绿色高安全生物质大规模储能技术对于清洁低碳现代能源体系的构建意义重大。环保、安全性高的水系Zn-MnO2电池在大规模储能领域体现出巨大的发展潜力，然而MnO2正极材料在充放电过程中存在结构变形、副反应及Jahn-Teller效应等问题。虽然MnO2与碳材料复合是一种优化水系Zn-MnO2电池性能的重要途径，但是目前所采用的碳材料主要基于石墨烯、碳纳米纤维、碳纳米管等传统商业碳材料，亟待开发廉价、可再生的生物质复合能源材料提高水系Zn-MnO2电池的综合性能。

近日，华北电力大学徐超教授、吕玮副研究员团队联合中国科学院生物物理研究所丁芳助理研究员团队成功制备了以生物质废物-葡萄柚果皮为碳源的N掺杂生物质碳负载γ-MnO2正极，5 A g−1下循环3000圈寿命大于92%，正极比能量密度大于553 Wh kg−1，库伦效率接近100%，该策略可以有效抑制Jahn-Teller效应并调控Mn畴的分布，进而提升正极锌离子储能效率。体外细胞毒性实验表明该复合正极材料具有良好的生物兼容性，表明其在临床医疗领域的应用潜质。本研究发现了一种利用可再生生物质能合成生物兼容正极材料的新方法，以题为“Discovering Cathodic Biocompatibility for Aqueous Zn-MnO2 Battery: An Integrating Biomass Carbon Strategy”发表在Nano-Micro Letters。

图1. 微观表征。

图2. 理论计算。

图3. 电化学性能。

图4. 机理分析。

图5. 体外细胞毒性试验。

可再生生物兼容水系Zn-MnO2电池因其低成本、高安全和高性能等优异特性被视为生物相容性医疗电子设备供电电源的潜在候选者。在此，研究人员成功的以废弃葡萄柚果皮为原料制备生物质碳材料，研究了该生物质碳负载γ-MnO2复合正极的电化学性能和生物兼容性。复合正极在5 A g-1下可长循环达3000圈，同时具有553.12 Wh kg-1的高能量密度和接近100%的库伦效率，分析结果表明，

该策略通过调控Mn-O化学键和Mn畴进而有效提高正极材料的结构稳定性和电化学性能。此外通过细胞毒性实验验证了该正极的生物安全性。综上，本项工作提出利用廉价生物质碳改善多功能锰基正极结构的同时，也为水系Zn-MnO2电池在生物医疗领域的应用提出了新的见解。

https://doi.org/10.1007/s40820-024-01334-3

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