深夜的上海外滩，陆家嘴摩天大楼的霓虹渐次熄灭，而城市地下变电站的储能系统仍在高速运转。这些支撑着超大城市电力调峰的“巨型充电宝”，每年因循环寿命不足导致的维护成本高达数十亿元。上海理工大学与江西理工大学联合团队在《能源前沿》发表的最新综述，为这场“储能持久战”提供了破局方案——通过调控锰基材料的晶体结构和电解质配方，将水系锌离子电池的循环寿命提升至1万次以上，储能成本直降40%。

锂电池遇瓶颈：锰基材料为何成“破局黑马”？

全球可再生能源装机量激增，电网级储能需求井喷。传统锂离子电池因资源稀缺和有机电解液易燃问题，难以支撑大规模应用。水系锌离子电池（AZIBs）凭借水性电解液的安全性和锌金属的储量优势，被视为下一代储能“潜力股”。然而，其核心痛点在于正极材料——锰基氧化物在循环中易溶解，导致容量快速衰减。

研究团队发现，破局关键在于“晶体结构手术”。传统锰氧化物如同“单车道小路”，锌离子嵌入时易引发结构坍塌。通过设计隧道结构（如α-MnO₂的2×2隧道）和层状结构（如δ-MnO₂），科研人员为锌离子打造了“立体交通网”。实验显示，优化后的δ-MnO₂在5000次循环后容量保持率仍达100%，相当于让电池寿命从“智能手机级”跃升至“电网级”。

“微量元素改造术”：离子掺杂让导电性翻倍

在江西某新能源企业的中试车间，研究人员展示了“离子掺杂”的神奇效果：向锰氧化物晶格中注入钾离子（K⁺）或钴离子（Co²⁺），如同在材料内部“架设高架桥”，使锌离子扩散速度提升3倍。实验数据显示，钴掺杂的MnO₂在1A/g电流密度下，比容量达到511mAh/g，是未掺杂材料的1.8倍。更令人惊喜的是，钠离子（Na⁺）与水分子的协同预嵌入，可将层状δ-MnO₂的层间距从0.7纳米扩展至1.2纳米，为锌离子开辟“快速通道”。

“这就像给电池装上涡轮增压器。”论文通讯作者张慧娟教授比喻道。团队开发的铵离子（NH₄⁺）掺杂锰氧化物，在4A/g高倍率下循环1万次后容量保持率仍达69%，远超行业平均水平。这种“微量元素改造术”已在国内三家储能企业完成技术验证，生产成本仅增加5%，但电池系统寿命延长了2倍。

碳铠甲与智能电解质：双重防线锁住锰离子

锰溶解是水系电池的“阿喀琉斯之踵”。研究团队创新性地为锰氧化物披上“碳铠甲”——通过氮掺杂碳包覆技术，在材料表面形成致密保护层。实验表明，碳包覆的ε-MnO₂在1700次循环后容量保持率91%，而未包覆材料仅剩21%。更巧妙的是，团队在电解液中加入二甲亚砜（DMSO）和糖精分子，这些“智能卫士”能在锌负极表面形成固态电解质界面（SEI），将锰离子“锁”在正极。

（图示：离子掺杂扩展层间距（左）与碳包覆抑制锰溶解（右）的协同效应）

从实验室到电网：兆瓦级储能系统年内落地

目前，该技术已在国网某省级储能站完成百千瓦级验证。在2mol/L ZnSO₄电解液体系中，50kW储能模块连续运行3000次循环无显著衰减，度电成本降至0.3元以下。研究团队正与中车集团合作，开发基于锰基正极的集装箱式储能系统，计划2025年前建成首座兆瓦级示范工程。

“这相当于给风电光伏配上了‘永久充电宝’。”参与研究的陶一鸣博士透露，新体系电池的能量密度达200Wh/kg，循环寿命突破1.5万次，完全充放电时长缩短至15分钟。随着《我国新型储能发展规划》推进，这种“锰”性技术或将成为实现“双碳”目标的关键拼图。

来源: FIE能源前沿期刊