一种基于红尾鹰算法的改进型主动干扰抑制控制方法，用于混合光伏电池供电的直流微电网中的电压稳定性和性能提升

《Journal of Energy Storage》：An improved active disturbance rejection control for voltage stabilization and performance enhancement in hybrid photovoltaic battery based DC microgrids via red-tailed hawk algorithm

通过溶胶热法成功制备了具有蛋糕状结构的ZnMn2O4正极材料ZnMO-P，其比表面积达29.98 m2/g，平面均匀性优异。在1 A·g?1电流密度下，初始比容量296.7 mAh·g?1，循环2000次后容量保持率超100%，显著优于球形MO-P（循环1400次后容量仅54.1 mAh·g?1）。 cake状结构通过拓宽离子扩散通道、增加活性位点、加速Zn2?/H?传输及提升伪电容效应（66.4%），显著提升锌离子电池性能。

　　

兰莉|尹成杰|熊宇松|钟光伟|胡金松

安徽国际纳米碳基材料与环境健康联合研究中心，安徽科技大学，淮南，安徽，232001，中国

摘要

尖晶石型ZnMn₂O₄是一种结构稳定的水系锌离子电池（AZIBs）正极材料；然而，其有限的锌存储容量限制了其应用。形态设计是优化性能的关键策略。不同形态下的制备和性能存在显著差异。为了研究形态对ZnMn₂O₄电化学性能的影响，采用溶剂热法成功制备了一种蛋糕状的ZnMn₂O₄（ZnMO - P）正极材料。该材料具有29.98 m²·g^?1的高比表面积和优异的平面均匀性。在1 A·g^?1的电流密度下，其初始比容量为296.7 mAh·g^?1，经过2000次循环后升至309.7 mAh·g^?1，容量保持率超过100%；而球形MO - P在1 A·g^?1下的初始容量为139.45 mAh·g^?1，经过1400次循环后容量仅降至54.1 mAh·g^{?1?1的扫描速率下，赝电容贡献率为66.4%，明显高于球形ZnMn₂O₄（MO - P）。蛋糕状结构通过拓宽离子扩散路径、增加电活性位点数量、加速Zn2+/H+传输和增强赝电容效应，实现了高效的锌存储。本研究为高性能AZIBs正极材料的形态设计提供了有效策略。}

引言

电化学储能技术具有高效、长寿命和低维护成本等优点，使其成为一个快速发展的领域。[1],[2],[3] 锂离子电池由于其高能量密度、长使用寿命和成熟的生产工艺，在电信和信息技术领域得到广泛应用。[4],[5] 然而，锂资源有限，且电池中有机电解液的安全性和成本一直限制了其应用和发展。[6],[7] 作为最有前景的二次电池之一，水系锌离子电池（AZIBs）凭借低成本、绿色环保、高安全性、高离子导电性、高能量和功率密度以及简单的组装工艺，近年来成为全球研究热点。[8],[9],[10]

水系电解液的离子导电性比有机电解液高两个数量级，这意味着水系电池通常具有更高的功率密度，且制备更简单、成本更低。[11],[12],[13] 但目前水系锂离子电池电解液中质子保持稳定的范围较窄，充放电过程中会发生许多副反应，如质子和离子的共同嵌入。[14],[15],[16] 水系锂离子电池的发展受到电极材料在水中的溶解度以及锂金属有限供应和高成本的制约。[17],[18] 锌的平衡电位低，与氢反应的过电位高，是所有可以从水溶液中有效还原的元素中标准电位最低的。[19],[20] 锌也是在水溶液中稳定的金属元素中能量最高的。[21],[22],[23] 同时，锌金属储量丰富、毒性低且易于处理。因此，一种低成本、高安全性、环保的高功率水系锌离子电池将是一个理想的绿色电池系统。[24],[25],[26] 它未来可用于电网储能系统和可穿戴设备。[27],[28],[29]

基于锰的材料是目前水系锌离子电池中最广泛使用的材料，锰基氧化物具有巨大的发展潜力。[30],[31],[32] 锰在地壳中的浓度超过1100 ppm，价格低廉且环保。[33],[34],[35] 目前水系锌离子电池中使用的锰氧化物包括α - MnO₂、β - MnO₂、γ - MnO₂、ε - MnO₂、δ - MnO₂、Mn₂O₃、Mn₃O₄、ZnMn₂O₄等。其中，ZnMn₂O₄是一种具有尖晶石结构的新型双金属氧化物，具有原材料丰富、理论容量高、环保和电压高等优点。[44] 它被认为是水系锌离子电池（AZIBs）最有前途的正极材料之一。然而，其进一步发展受到固有导电性差、充放电过程中体积变化大、容量衰减快以及倍率性能不足等问题阻碍。[45],[46] 为了解决ZnMn₂O₄材料的问题，研究人员通过设计不同形态的ZnMn₂O₄、[47] 制备基于ZnMn₂O₄的复合材料、[48] 增加ZnMn₂O₄层间距、[49] 引入ZnMn₂O₄氧缺陷、[50] 和掺杂ZnMn₂O₄金属离子等方法来克服这些困难。[51] 例如，高等人制备的ZnMn₂O₄/CNTs复合材料在100 mA·g^?1电流下初始容量为220.3 mAh·g^{?1?1₂O₄/N掺杂石墨烯纳米复合材料在100 mAg?1电流下最大放电容量为221 mAh·g?1₂O₄在0.1 A·g?1?1₂O₄（137.3 mAh·g?1₂O₄正极（约27.5%）。[51] 然而，形态差异可能对ZnMn₂O₄的电化学性能起着重要作用。本质上，与形态差异相关的结构演变和电极动力学尚未完全理解，需要进一步阐明。这些知识可能为ZnMn₂O₄基正极材料的合理设计提供新思路。}

为了研究形态差异对ZnMn₂O₄基正极材料的影响，我们通过油浴法成功制备了蛋糕状的ZnMO - P正极材料。这种形状的材料具有非常高的比表面积和平面均匀性。在1 A·g^{?1?1?1?1?1?12+/H+传输、增强赝电容效应以及进一步加速电荷转移方面，其性能远优于球形结构，这主要归因于其能够容纳更多离子并加速离子迁移。这项工作为高性能锌离子电池的开发提供了一种有效的电解质改性策略。}

实验方法片段

Zn - Mn - 锌甘醇酸盐的合成

在典型的Zn - Mn - 锌甘醇酸盐合成过程中，向50 mL乙二醇（EG）中加入0.1 g聚维吡咯烷酮（PVP），直至形成澄清溶液。然后加入219.5 mg Zn（CH₃COO)₂·2H₂O和494.2 mg Mn（CH₃COO)₂·4H₂O，搅拌至溶液透明。将所得溶液转移到圆底烧瓶中，然后在油浴中加热至170°C。在170°C下加热90分钟后，自然冷却

结果与讨论

图1a展示了ZnMO - P的合成过程。当聚维吡咯烷酮溶解在乙二醇中，并加入醋酸锌二水合物和醋酸锰四水合物时，会形成模板并溶解，形成图(I)所示的结构。在170°C下油浴加热90分钟后，得到一个表面粗糙的空心蛋糕状结构(II)，随后在500°C下以1°C·min^?1

结论

总之，通过简单的油浴法制备出了蛋糕状的ZnMO - P。当使用醋酸锌作为改性ZnMn₂O₄的负极材料时，研究了不同形态对ZnMn₂O₄基氧化物电化学性能的影响，并揭示了结构与电化学性能之间的关联。蛋糕状的ZnMO - P具有多种优势，包括层间距增大、比表面积增大和平面接触更均匀

作者贡献声明

兰莉：撰写——初稿、验证、监督、软件使用、项目管理、方法学、研究、数据分析、数据整理。尹成杰：撰写——审阅与编辑、可视化、研究、资金申请。熊宇松：研究、数据分析。钟光伟：方法学、研究。胡金松：撰写——审阅与编辑、概念构思。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

本工作得到了安徽国际纳米碳基材料与环境健康联合研究中心开放基金（资助编号：NCMEH2025Y02）、安徽科技大学煤炭资源综合利用工程技术研究中心开放研究基金计划（资助编号：MTYJZX202303）以及安徽省大学生创新创业计划项目（资助编号：202410361048、202510361097）的支持。