水系双离子电池（ADIBs）具有本征安全、高功率密度、环境友好和高输出电压等优点，在未来电网规模储能中具有广阔的应用前景。然而，由于ADIBs需要正极通过不同的局部结构和机制进行插层反应，导致较大的结构变形和正极失效，因此正极中阴离子-阳离子的可逆插层仍是一项重大挑战。

在此，中国科学院深圳先进技术研究院唐永炳、周小龙，香港城市大学张其春等人研究发现具有金属离子稳定的二氧化锰（t-MnO2）正极适用于ADIBs的阴离子-阳离子插层。

研究表明，t-MnO2正极独特的隧道结构可以承受硫酸根自由基阴离子-锌/质子阳离子（SO42−-Zn2+/H+）插层过程中较大的结构变形。由于SO42−的插层作用，ADIB在0.2A g−1下的可逆容量为398 mAh g−1，输出电压为≈1.41 V，远远高于Zn-MnO2基锌离子电池的理论容量（308 mAh g−1）。

图1. 机制探究

总之，该工作提出了一种新型ADIBs概念，该ADIBs是由可逆阴离子-阳离子插层嵌入t-MnO2正极。实验表明，结构稳定、结构尺寸大、能级兼容的材料是可逆插层的关键。基于一系列实验证据和系统的理论计算，作者首次证明了在Mg离子稳定的特殊结构中，可实现SO42−和Zn2+/H+离子在t-MnO2中的可逆插层，同时在长周期循环后仍保持良好的结构稳定性。

基于此，SZ-ADIBs在0.2 A g−1下提供了398 mAh g−1的高可逆容量（远高于Zn-MnO2基ZIBs的理论容量（308 mAh g−1）），输出电压约为1.41 V，在1 A g−1下可超过1200次循环。因此，该工作建立了ADIBs正极材料设计原则，为开发用于GSES应用的高安全性、高可持续性和高能量密度的高性能电池奠定了基础。

图2. DFT计算及反应机理讨论

Reversible Anion-Cation Relay-Intercalation in a T-MnO2 Cathode to Boost the Efficiency of Aqueous Dual-Ion Batteries, Advanced Materials 2024 DOI: 10.1002/adma.202413645