Synergistic Modification of Ni2+ Doping and Nanostructure Regulation for High-performance Aqueous Zinc-ion Battery MnO2 Cathodes

doi:10.7503/cjcu20260046

Abstract

Abstract:

The δ-MnO₂ cathode materials in aqueous zinc-ion batteries suffer from sluggish reaction kinetics， structural instability and rapid capacity degradation. To address these issues， this study proposes a synergistic modification strategy combining Ni²⁺ doping and nanostructure regulation， successfully preparing Ni²⁺-doped δ-MnO₂ nanoflower spheres（NiMnO₂-n）. Nanostructure regulation endows NiMnO₂-n with nanosized sheet structures and a large specific surface area of 142 m²/g， effectively shortening ion diffusion paths and increasing electrochemical active sites. Besides， Ni²⁺ doping further reduces the thickness of nanosheet and expands the interlayer spacing， which not only promotes H⁺/Zn²⁺ intercalation/extraction kinetics but also significantly enhances the structural stability of NiMnO₂-n. Moreover， the abundant oxygen vacancies introduced by Ni²⁺ doping weaken the spatial potential resistance for ion intercalation and lower the ion diffusion barrier， thereby accelerating the reaction kinetics. Benefiting from these structural advantages， NiMnO₂-n exhibits faster H⁺ and Zn²⁺ diffusion characteristics and improved intercalation/extraction kinetics， leading to improved rate capability and cycling stability： it delivers a reversible capacity of 150.7 mA·h/g at a current density of 1.0 A/g with a decay rate as low as 0.040% per cycle over 900 cycles. Mechanistic studies preliminarily confirm that the energy storage process in NiMnO₂-n originates from the intercalation/extraction of H⁺ and Zn²⁺ and the dissolution-deposition of MnO₂.

Key words: Aqueous zinc-ion battery, Doping, Structural regulation, Oxygen vacancy, Kinetics

CLC Number:

O646.2

TrendMD:

YANG Ting, SONG Yaxuan, ZHANG Jinyu, FENG Xiaoyu, GE Yufeng, JING Xiaoxia, CHANG Panpan. Synergistic Modification of Ni²⁺ Doping and Nanostructure Regulation for High-performance Aqueous Zinc-ion Battery MnO₂ Cathodes[J]. Chem. J. Chinese Universities, 2026, 47(8): 20260046.

Figures/Tables 9

References 44

[1]	Khamsanga S.， Pornprasertsuk R.， Yonezawa T.， Mohamad A. A.， Kheawhom S.， Sci. Rep.， 2019， 9（1）， 8441
[2]	Chao D.， Ye C.， Xie F.， Zhou W.， Zhang Q.， Gu Q.， Davey K.， Gu L.， Qiao S. Z.， Adv. Mater.， 2020， 32（25）， 2001894
[3]	Chuai M.， Yang J.， Tan R.， Liu Z.， Yuan Y.， Xu Y.， Sun J.， Wang M.， Zheng X.， Chen N.， Chen W.， Adv. Mater.， 2022， 34（33）， 2203249
[4]	Gou L.， Sun A. H.， Liang K.， Wang Y. J.， Fan X. Y.， Li D. L.， Chem. J. Chinese Universities， 2025， 46（10）， 20250105
	苟蕾，孙爱红，梁凯，王延静，樊小勇，李东林. 高等学校化学学报， 2025， 46（10）， 20250105
[5]	Zhang T.， Li T.， Shen Y.， Ma H.， Wei C.， Cai J.， Xu Y.， Li Y.， Dong X.， Zhang S.， Huang F.， Lin T.， Adv. Mater.， 2025， 37（34）， 2505082
[6]	Blanc L. E.， Kundu D.， Nazar L. F.， Joule， 2020， 4（4）， 771—799
[7]	Zhou M.， Zheng Y.， Bi J.， Liu L.， Sun W.， Tian C.， Cai Z.， Zhao X.， Niu C.， Sun Y.， Pan H.， Angew. Chem. Int. Ed.， 2025， 65（6）， e23672
[8]	Dong Y.， Jia M.， Wang Y.， Xu J.， Liu Y.， Jiao L.， Zhang N.， ACS Appl. Energy Mater.， 2020， 3（11）， 11183—11192
[9]	Hu P.， Zhu T.， Wang X.， Wei X.， Yan M.， Li J.， Luo W.， Yang W.， Zhang W.， Zhou L.， Zhou Z.， Mai L.， Nano Lett.， 2018， 18（3）， 1758—1763
[10]	Deng W.， Li Z.， Ye Y.， Zhou Z.， Li Y.， Zhang M.， Yuan X.， Hu J.， Zhao W.， Huang Z.， Li C.， Chen H.， Zheng J.， Li R.， Adv. Energy Mater.， 2021， 11（31）， 2003639
[11]	Ma L.， Chen S.， Long C.， Li X.， Zhao Y.， Liu Z.， Huang Z.， Dong B.， Zapien J. A.， Zhi C.， Adv. Energy Mater.， 2019， 9（45）， 1902446
[12]	Wang Q.， Xu X.， Yang G.， Liu Y.， Yao X.， Chem. Commun.， 2020， 56（79）， 11859—11862
[13]	Cui H.， Ma L.， Huang Z.， Chen Z.， Zhi C.， SmartMat， 2022， 3（4）， 565—581
[14]	Zhang J.， Li W.， Wang J.， Pu X.， Zhang G.， Wang S.， Wang N.， Li X.， Angew. Chem. Int. Ed.， 2023， 62（8）， e202215654
[15]	Guo X.， Zhou J.， Bai C.， Li X.， Fang G.， Liang S.， Mater. Today Energy， 2020， 16，100396
[16]	Wei C.， Xu C.， Li B.， Du H.， Kang F.， J. Phys. Chem. Solids， 2012， 73（12）， 1487—1491
[17]	Chacko B.， Wuppulluri M.， Mater. Renew. Sustain. Energy， 2025， 14（1）， 10
[18]	Zheng J.， Zhao J.， Ye J.， Deng K.， Liu P.， Liao Q.， Liu X.， Lv X.， Tan S.， Tian W.， Ji J.， Appl. Surf. Sci.， 2023， 635，157665
[19]	Cai Z.， Zhou M.， Sun W.， Li Y.， Pan H.， ACS Appl. Mater. Interfaces， 2025， 17（46）， 63861—63870
[20]	Wang Y.， Zhou H.， Wei S.， Chen S.， Cao D.， Zhou Q.， Wu X.， Song L.， J. Am. Chem. Soc.， 2025， 147（45）， 41297—41307
[21]	Liu X.， Zheng J.， Li J.， Ming F.， Zhu Y.， Wei B.， Qi Z.， Makgwane P. R.， Liang H.， Nano Lett.， 2025， 25（51）， 17790—17796
[22]	Cai Y.， Chua R.， Huang S.， Ren H.， Srinivasan M.， Chem. Eng. J.， 2020， 396，125221
[23]	Karbak M.， Baazizi M.， Sayah S.， Autret⁃Lambert C.， Tison Y.， Martinez H.， Chafik T.， Ghamouss F.， J. Mater. Chem. A， 2023， 11（6）， 2634—2640
[24]	Zhang X.， Ma X.， Bi H.， Zhang Y.， Mi P.， Liu F.， Jin X.， Chen Y.， Zhang K.， Wang J.， Dong Y.， Adv. Funct. Mater.， 2025， 35（1）， 2411990
[25]	Lin J.， Wang Y.， Chen M.， Lu J.， Mi H.， Chen J.， He C.， Ma D.， Zhang P.， Adv. Energy Mater.， 2024， 14（31）， 2401275
[26]	Ye J. J.， Li P. H.， Hou Z.， Zhang W.， Zhu W.， Jin S.， Ji H.， Angew. Chem. Int. Ed.， 2024， 63（43）， e202410900
[27]	Zhao Y.， Zhang S.， Zhang Y.， Liang J.， Ren L.， Fan H. J.， Liu W.， Sun X.， Energy Environ. Sci.， 2024， 17（3）， 1279—1290
[28]	Chacón⁃Borrero J.， Chang X.， Min Z.， Yu J.， Montaña⁃Mora G.， Mejia⁃Centeno K. V.， Sun Y.， Zhou X.， Tunmee S.， Kidkhunthod P.， Li J.， Llorca J.， Arbiol J.， Cabot A.， Energy Storage Mater.， 2025， 81，104486
[29]	Li T.， Zhang N.， Liu B.， Wang P.， Liu Z.， Wang Y.， Xu D.， Tian H.， Zhang Q.， Yi T. F.， Adv. Funct. Mater.， 2025， 35（20）， 2423755
[30]	Xu Y.， Zhang G.， Wang X.， Zhang J.， Wen H.， Wang D.， Yuan Y.， Jiang Q.， Qian H.， Xi Y.， Zuo J.， Li M.， Liu J.， Yang H.， Luo Y.， Wang J.， Li W.， Li X.， Adv. Funct. Mater.， 2025， 35（27）， 2500137
[31]	Xie D.， Wang Y.， Tian L.， Huang H.， Sun J.， Kim D. W.， Zhao J.， Mao J.， Adv. Funct. Mater.， 2025， 35（4）， 2413993
[32]	Liang J.， Zhao Y.， Ren L.， Li M.， Zhang Q.， Wang Y.， Sun X.， Chuai M.， Wang X.， Liu W.， Adv. Funct. Mater.， 2025， 35（25）， 2501135
[33]	Ge W.， Chen X.， Ma R.， Zheng S.， Shang N.， Zhao X.， Chem. Res. Chinese Universities， 2024， 40（3）， 437—450
[34]	Hou P.， Yang N.， Wang D.， Chem. Res. Chinese Universities， 2024， 40（3）， 394—412
[35]	Meng D.， Ran S.， Gao L.， Zhang Y.， San X.， Zhang L.， Li R.， Jin Q.， Chem. Res. Chinese Universities， 2024， 40（3）， 490—498
[36]	Wang C. B.， Li P.， Chen D. H.， Zhang R. L.， Wang L.， Zong L. B.， Chem. Res. Chinese Universities， 2024， 40（3），462—474
[37]	Li L.， Wang J.， Chen Z.， Dong J.， Chang P.， Zhang J.， Yang T.， Ding R.， Chem. Eng. J.， 2025， 507，160760
[38]	Chen Y.， Lin C.， Chen X.， Lu Z.， Zhang K.， Liu Y.， Wang J.， Han G.， Xu G.， Adv. Energy Mater.， 2024， 14， 2304303
[39]	Wang Y.， Zhang Y.， Gao G.， Fan Y.， Wang R.， Feng J.， Yang L.， Meng A.， Zhao J.， Li Z.， Nano Micro Lett.， 2023， 15（1）， 219
[40]	Liang X.， Hart C.， Pang Q.， Garsuch A.， Weiss T.， Nazar L. F.， Nat. Commun.， 2015， 6（1）， 5682
[41]	Wu D.， King S. T.， Sadique N.， Ma L.， Ehrlich S. N.， Ghose S.， Bai J.， Zhong H.， Yan S.， Bock D. C.， Takeuchi E. S.， Marschilok A. C.， Housel L. M.， Wang L.， Takeuchi K. J.， J. Mater. Chem. A， 2023， 11（30）， 16279—16292
[42]	Ren Y.， Li H.， Rao Y.， Zhou H.， Guo S.， Energy Environ. Sci.， 2024， 17（2）， 425—441
[43]	Geng L.， Meng J.， Wang X.， Wu W.， Han K.， Huang M.， Han C.， Wu L.， Li J.， Zhou L.， Mai L.， Chem， 2025， 11（2）， 102302
[44]	Li Y. S.， Geng L. S.， Zhang B. M.， Wei Z. H.， Fan H.， Li J. H.， Feng W. C.， Zhou L.， Rare Met.， 2025， 44（2）， 950—960

Sample	R_s/Ω	R_surf/Ω	R_ct/Ω
NiMnO₂⁃n	4.91	9.26	40.54
NiMnO₂⁃m	5.74	15.02	53.84
MnO₂⁃m	5.80	18.06	155.10

Sample	R_s/Ω	R_surf/Ω	R_ct/Ω
NiMnO₂⁃n	4.91	9.26	40.54
NiMnO₂⁃m	5.74	15.02	53.84
MnO₂⁃m	5.80	18.06	155.10

Synergistic Modification of Ni²⁺ Doping and Nanostructure Regulation for High-performance Aqueous Zinc-ion Battery MnO₂ Cathodes

RichHTML

PDF (PC)

Supplement

Knowledge

Abstract

Cite this article

share this article

Figures/Tables 9

References 44

Related Articles 15

Recommended Articles

Metrics

Comments

[1]	ZENG Mingtao, SHI Wenjing, WANG Jun. Modulation of Long-lived Room-temperature Phosphorecence via Aggregation-state Control of a Terpyridine-phenylboronic Acid in a Host-guest Doping System [J]. Chem. J. Chinese Universities, 2026, 47(8): 20260106.
[2]	LIANG Yukai, ZHUANG Yi, CHANG Ai, MA Yirui, LI Yuxuan, ZHU Boyuan, TANG Jiahao, ZHANG Wenyao, ZHU Junwu. Research Advances in Modification Strategies and Mechanisms for the Metallic Zinc Anode in Aqueous Zinc-ion Batteries [J]. Chem. J. Chinese Universities, 2026, 47(7): 20260032.
[3]	DANG Yuxin, QIN Xiaoxi, ZHANG Peng, MA Tianshu, XUE Jiayi, WANG Chao, WU Tong, ZHANG Yingying, ZHUANG Quan, LIU Jinghai. Flexible TiO₂-TiSe₂/Carbon Nanofiber Membrane Towards Enhancing the Rate Performance of Li/S Batteries [J]. Chem. J. Chinese Universities, 2026, 47(7): 20250340.
[4]	XU Chengshuo, WU Tongyue, GUAN Weijiang, LU Chao. Doping-induced Mesoscopic Assembly in Hydrogen-bonded Networks for Phosphorescence Lifetime Modulation [J]. Chem. J. Chinese Universities, 2026, 47(4): 20250395.
[5]	LU Jialin, ZHUANG Yaling, WANG Yanan, CHANG Fei, DING Jianxun, CHEN Xuesi. Shear-induced Gelation Kinetics and Mechanisms of Silk Fibroin Hydrogels [J]. Chem. J. Chinese Universities, 2026, 47(1): 20250327.
[6]	LU Jiantian, ZHAO Manzhen, ZHANG Baohua, SONG Shuang, ZHANG Yuwei. Enhancing Methanol Oxidation Reaction by NiO Featuring High Concentration of Oxygen Vacancy and Ni³⁺/Ni²⁺ Ratio [J]. Chem. J. Chinese Universities, 2025, 46(7): 20250073.
[7]	LI Fengshi, JIANG Kai, TONG Xinyuan, WU Yongjian, LIN Hengwei. Regulating Trap Density and Energy Levels Through Boron Doping to Achieve Duration-tunable Afterglow from Carbon Dots for Dynamic Information Encryption [J]. Chem. J. Chinese Universities, 2025, 46(6): 20240545.
[8]	NI Jiawen, HUANG Zunhui, SONG Tianbing, MA Qianli, HE Tianle, ZHANG Xirong, XIONG Huanming. Ordered Lithium Deposition on Lithium Metal Anode Controlled by Boron-doped Carbon Dots from Solid-state Synthesis [J]. Chem. J. Chinese Universities, 2025, 46(6): 20240185.
[9]	BAI Xiaowei, TANG Xuan, WANG Yating, ZHANG Feifei, LI Jinping, YANG Jiangfeng. K⁺ Regulation of MER Zeolite and Its Effect on O₂ and N₂ Adsorption Kinetics [J]. Chem. J. Chinese Universities, 2025, 46(2): 20240411.
[10]	WEN Junqing, WANG Jiahui, ZHANG Jianmin. First-principles Study of Doping and Point Defects Modulating the Photodissociative Water Properties of MoS₂/ZnO Heterojunction [J]. Chem. J. Chinese Universities, 2025, 46(2): 20240380.
[11]	WANG Bin, HU Mengjie, LI Peilin, WANG Wenjing, YANG Ying, ZHU Lianjie. Highly Sensitive Detection on Trace H₂S Gas over CuCl₂-modified WO₃ [J]. Chem. J. Chinese Universities, 2025, 46(12): 20250267.
[12]	WANG Delong, XING Shilu, LI Chunli, ZHOU Nan, HAO Yaling, HUO Rong, LI Xiuhua, LIU Huifeng. Synthesis and Electrochemical Performance of Nanostructured Co-Nd-MOF/GO Electrode Materials [J]. Chem. J. Chinese Universities, 2025, 46(11): 20250191.
[13]	LI Zimu, TANG Yuqing, CHENG Jianing, SUN Chenyun, LYU Hui, ZUO Xiaolei. Design Strategies for DNA Strand Displacement Reactions via Secondary Structure Modulation of DNA Strands [J]. Chem. J. Chinese Universities, 2025, 46(10): 20250174.
[14]	ZOU Haoyang, ZHAO Zhitong, WANG Huaizhi, YANG Jiazhen, DING Jianxun. Construction and Assembly Kinetics of Amino Acid-Iron Nano-assemblies [J]. Chem. J. Chinese Universities, 2025, 46(1): 20240385.
[15]	ZHU Xuanqi, CUI Liying, ZHAO Xinyu, JIANG Ling, ZHANG Xue. Fe³⁺-doped Polyaminopyrrole Nanoparticles for in situ Magnetic Resonance Imaging and Photothermal Therapy of Breast Cancer [J]. Chem. J. Chinese Universities, 2025, 46(1): 20240156.