水性锌离子电池（aqueous zinc-ion battery, AZIB）因其高功率密度、能量密度、安全性和可持续性成为潜在替代锂离子电池的储能设备。MnO2作为AZIB的阴极材料，因其多价态和优异的离子存储性能而表现出色，但其能量存储机制尚存争议。本案例中，研究人员选取两种典型MnO2晶相：α-MnO2 及σ-MnO2 ，通过第一性原理计算揭示锌离子对MnO2 /water体系的影响。
研究成果
1、MnO2 /water体系结构分析
研究人员通过MedeA Environment创建α-MnO2 /water及σ-MnO2 /water界面体系，随后用MedeA VASP中AIMD模拟发现，α-MnO2 /water体系结构稳定（图1左侧），α-MnO2仅在小范围内振动，晶体结构保持不变。σ-MnO2 /water体系则表现出一定程度的形变（图1右侧），表明其本身结构较脆弱，不稳定。
图1 左侧 α-MnO2 /water、右侧σ-MnO2 /water 体系动力学模拟初态、末态结构：(a b) side view; (c d) top view
2、Zn2+对MnO2 /water体系影响
研究人员通过理论模拟分析Zn2+嵌入对MnO2 /water体系影响，在α-MnO2 /water与σ-MnO2 /water界面体系中，Zn2+都倾向于MnO2与水的界面区域，并形成稳定的界面产物。然而σ-MnO2 /water原始结构遭到破坏，形变程度远大于α-MnO2。α-MnO2体系中嵌入2个Zn2+，结构仍维持稳定状态；σ-MnO2 /water界面体系则发生结构变形，原始层状结构几乎消失。
图2 α-MnO2 /water中嵌入Zn2+初始结构、末态结构及轨迹：(a-c) side view; (d-f) top view
图3 σ-MnO2 /water中嵌入Zn2+初始结构、末态结构及轨迹：(a-c) side view; (d-f) top view
总结与展望
本案例中，研究人员利用密度泛函理论系统研究了Zn2+与不同晶相MnO2 /water界面相互作用机制。Zn2+都优先稳定在MnO2 与水的界面区域，并形成稳定的界面产物，这些发现为设计和优化高性能ZEIB正极材料提供了重要理论依据。
参考文献：
DOI:10.1088/1742-6596/2592/1/012032
使用MedeA模块：
MedeA Environment
MedeA VASP
