物理化学学报 >> 2026, Vol. 42 >> Issue (7): 100232.doi: 10.1016/j.actphy.2025.100232
所属专题: 二次电池先进正极材料
单昱呈1, 许立明3, 孙鹏2, 朱之婧4, 王成龙1,*(
), 黎晋良2,*(
), 杨光1, 潘丽坤1,*(
)
收稿日期:2025-10-01
修回日期:2025-12-02
录用日期:2025-12-17
发布日期:2026-05-22
通讯作者:
Email: clwang@phy.ecnu.edu.cn (王成龙)lijinliang@email.jnu.edu.cn (黎晋良)lkpan@phy.ecnu.edu.cn (潘丽坤)
Yucheng Shan1, Liming Xu3, Peng Sun2, Zhijing Zhu4, Chenglong Wang1,*(
), Jinliang Li2,*(
), Guang Yang1, Likun Pan1,*(
)
Received:2025-10-01
Revised:2025-12-02
Accepted:2025-12-17
Published:2026-05-22
Contact:
Email: clwang@phy.ecnu.edu.cn (Chenglong Wang)lijinliang@email.jnu.edu.cn (Jinliang Li)lkpan@phy.ecnu.edu.cn (Likun Pan)
摘要:
金属掺杂是水系锌离子电池二氧化锰(MnO2)正极的重要改性策略,其中参数的选择直接影响电化学性能。然而,掺杂元素类型、浓度以及合成条件与电化学性能之间的复杂相互关系,使得优化MnO2正极以获得优异电化学性能仍然具有挑战性。为了高效研究金属掺杂MnO2的性能,我们提出了一种基于文献数据的机器学习模型。在特征工程和模型选择后,我们发现极限梯度提升模型(XGB)在测试集上R2达到了0.921的高预测精度。在此之后,特征重要性分析进一步指导了一系列实验的设计,这些实验与密度泛函理论计算一致地验证了模型的准确性和可靠性。在从多个角度验证可行性后,我们进一步构建了基于该模型的在线性能预测平台,为后续研究人员提供了一个便捷的工具,帮助他们获得指导和启发。我们相信,这项工作为金属掺杂MnO2在能源存储领域的研究提供了新的视角和框架。
单昱呈, 许立明, 孙鹏, 朱之婧, 王成龙, 黎晋良, 杨光, 潘丽坤. 一种数据驱动方法快速筛选高性能水系锌离子电池中金属掺杂二氧化锰正极[J]. 物理化学学报, 2026, 42(7), 100232. doi: 10.1016/j.actphy.2025.100232
Yucheng Shan, Liming Xu, Peng Sun, Zhijing Zhu, Chenglong Wang, Jinliang Li, Guang Yang, Likun Pan. A data-driven approach for rapid revealing of metal doping in MnO2 cathodes for high-performance aqueous zinc-ion batteries[J]. Acta Phys. -Chim. Sin. 2026, 42(7), 100232. doi: 10.1016/j.actphy.2025.100232
| 1 |
Y. Li, H. Xu, X. D. Li, X. Lin, H. Y. Zhao, Y. J. Zhang, K. N. Hui, J. L. Li, L. K. Pan. Adv. Sci. 2025, 12, e07071.
doi: 10.1002/advs.202507071 |
| 2 |
H. T. Xu, W. Y. Yang, M. Li, H. B. Liu, S. Q. Gong, F. Zhao, C. L. Li, J. J. Qi, H. H. Wang, W. C. Peng, et al.. Small 2024, 20, 2310972.
doi: 10.1002/smll.202310972 |
| 3 |
Y. Li, H. Xu, X. Y. Xuan, Y. J. Zhang, H. Y. Zhao, J. L. Li, M. Xu, L. K. Pan. Chem. Eng. J. 2025, 505, 158934.
doi: 10.1016/j.cej.2024.158934 |
| 4 |
Z. Liu, M. Qin, B. Fu, M. Li, S. Liang, G. Fang. Angew. Chem. Int. Ed. 2025, 64, e202417049.
doi: 10.1002/anie.202417049 |
| 5 |
P. C. Ruan, S. Q. Liang, B. G. Lu, H. J. Fan, J. Zhou. Angew. Chem. Int. Ed. 2022, 61, e202200598.
doi: 10.1002/anie.202200598 |
| 6 |
N. Wang, X. L. Dong, B. L. Wang, Z. W. Guo, Z. Wang, R. H. Wang, X. Qiu, Y. G. Wang. Angew. Chem. Int. Ed. 2020, 59, 14577.
doi: 10.1002/anie.202005603 |
| 7 |
V. Mathew, B. Sambandam, S. Kim, S. Kim, S. Park, S. Lee, M. H. Alfaruqi, V. Soundharrajan, S. Islam, D. Y. Putro, et al.. ACS Energy Lett. 2020, 5, 2376.
doi: 10.1021/acsenergylett.0c00740 |
| 8 |
Q. L. Ma, T. B. Song, T. L. He, X. R. Zhang, H. M. Xiong. Acta Phys. Chim. Sin. 2025, 41, 100106.
doi: 10.1016/j.actphy.2025.100106 |
| 9 |
Z. H. Wang, M. W. Chang, H. S. Geng, P. Cui, P. C. Song, F. Hu, J. H. You, K. Zhu. J. Electroanal. Chem. 2025, 989, 119210.
doi: 10.1016/j.jelechem.2025.119210 |
| 10 |
W. L. Zhang, S. Y. Niu, Y. Wang, Z. Y. Wang, Y. M. Wang, N. Ju, X. Y. Liu, Y. G. Jia, H. B. Sun. Chem. Commun. 2024, 60, 9586.
doi: 10.1039/d4cc02769h |
| 11 |
Y. K. Li, Z. M. Huang, P. K. Kalambate, Y. Zhong, Z. M. Huang, M. L. Xie, Y. Shen, Y. H. Huang. Nano Energy 2019, 60, 752.
doi: 10.1016/j.nanoen.2019.04.009 |
| 12 |
S. L. Tang, C. L. Wang, X. J. Pu, X. K. Gu, Z. X. Chen. Acta Phys. Chim. Sin. 2023, 39, 2212037.
doi: 10.3866/PKU.WHXB202212037 |
| 13 |
D. D. Qin, J. Y. Ding, C. Liang, Q. Liu, L. G. Feng, Y. Luo, G. Z. Hu, J. Luo, X. J. Liu. Acta Phys. Chim. Sin. 2024, 40, 2310034.
doi: 10.3866/pku.Whxb202310034 |
| 14 |
J. J. Wang, J. G. Wang, H. Y. Liu, C. G. Wei, F. Y. Kang. J. Mater. Chem. A 2019, 7, 13727.
doi: 10.1039/c9ta03541a |
| 15 |
Y. Zheng, D. Chen, Y. Zhao, H. Bao, Y. Sun. J. Power Sources 2025, 625, 235658.
doi: 10.1016/j.jpowsour.2024.235658 |
| 16 |
S. Q. Liu, B. Y. Wang, X. Zhang, S. Zhao, Z. H. Zhang, H. J. Yu. Matter 2021, 4, 1511.
doi: 10.1016/j.matt.2021.02.023 |
| 17 |
D. Guo, J. Sun, C. Wang, H. Quan, H. Lu, Y. Wei, C. Sun, S. Wang. Angew. Chem. Int. Ed. 2025, 64, e202505102.
doi: 10.1002/anie.202505102 |
| 18 |
Y. Hu, Z. Liu, L. Li, S. Guo, X. Xie, Z. Luo, G. Fang, S. Liang. Natl. Sci. Rev. 2023, 10, nwad220.
doi: 10.1093/nsr/nwad220 |
| 19 |
Y. Q. Jiang, D. L. Ba, Y. Y. Li, J. P. Liu. Adv. Sci. 2020, 7, 1902795.
doi: 10.1002/advs.201902795 |
| 20 |
J. J. Wang, J. G. Wang, H. Y. Liu, Z. Y. You, Z. Li, F. Y. Kang, B. Q. Wei. Adv. Funct. Mater. 2021, 31, 2007397.
doi: 10.1002/adfm.202007397 |
| 21 |
M. Karbak, M. Baazizi, S. Sayah, C. Autret-Lambert, Y. Tison, H. Martinez, T. Chafik, F. Ghamouss. J. Mater. Chem. A 2023, 11, 2634.
doi: 10.1039/d2ta07838d |
| 22 |
X. H. Chen, P. C. Ruan, X. W. Wu, S. Q. Liang, J. Zhou. Acta Phys. Chim. Sin. 2022, 38, 2111003.
doi: 10.3866/pku.Whxb202111003 |
| 23 |
J. Hua, X. W. Wu, F. X. Xie, M. M. Wu. Surf. Interfaces 2025, 62, 106312.
doi: 10.1016/j.surfin.2025.106312 |
| 24 |
Q. G. Li, C. Wang, Y. Zhu, W. Z. Du, W. X. Liu, M. Yao, Y. Q. Wang, Y. M. Qian, S. J. Feng. Chem. Eng. J. 2024, 485, 150077.
doi: 10.1016/j.cej.2024.150077 |
| 25 |
X. Li, J. Qu, J. Xu, S. Zhang, X. Wang, X. Wang, S. Dai. J. Electroanal. Chem. 2021, 895, 115529.
doi: 10.1016/j.jelechem.2021.115529 |
| 26 |
Q. Xie, G. Cheng, T. Xue, L. Huang, S. Chen, Y. Sun, M. Sun, H. Wang, L. Yu. Mater. Today Energy 2022, 24, 100934.
doi: 10.1016/j.mtener.2021.100934 |
| 27 |
J. Tan, T. Feng, S. Hu, Y. Liang, S. Zhang, Z. Xu, H. Zhou, M. Wu. Appl. Surf. Sci. 2022, 604, 154578.
doi: 10.1016/j.apsusc.2022.154578 |
| 28 |
Q. Zhang, H. Fan, Q. Liu, Y. Wu, E. Wang. J. Mater. Chem. A 2024, 12, 8167.
doi: 10.1039/d3ta07587g |
| 29 |
R. Han, Y. Pan, C. Du, Y. Xiang, Y. Wang, H. Zhu, C. Yin. J. Energy Storage 2024, 80, 110250.
doi: 10.1016/j.est.2023.110250 |
| 30 |
F. W. Fenta, B. W. Olbasa, M.-C. Tsai, N. T. Temesgen, W.-H. Huang, T. M. Tekaligne, Y. Nikodimos, S.-H. Wu, W.-N. Su, H. Dai, et al.. J. Power Sources 2022, 548, 232010.
doi: 10.1016/j.jpowsour.2022.232010 |
| 31 |
Y. Ma, M. Xu, R. Liu, H. Xiao, Y. Liu, X. Wang, Y. Huang, G. Yuan. Energy Storage Mater. 2022, 48, 212.
doi: 10.1016/j.ensm.2022.03.024 |
| 32 |
G. Liu, Q. G. Chi, Y. Q. Zhang, Q. G. Chen, C. H. Zhang, K. Zhu, D. X. Cao. Chem. Commun. 2018, 54, 9474.
doi: 10.1039/c8cc05366a |
| 33 |
G. D. Miao, Z. Wang, F. Sun, Y. Liu, F. X. Lin, Y. X. Fang, X. Yang, P. Li, X. H. Qu. J. Colloid Interface Sci. 2025, 693, 137636.
doi: 10.1016/j.jcis.2025.137636 |
| 34 |
T. Le, E. S. Takeuchi, K. J. Takeuchi, A. C. Marschilok, P. Liu. Energy Storage 2024, 6, e663.
doi: 10.1002/est2.633 |
| 35 |
H. Wang, Y. Zhu, J. L. Li, X. J. Liu, Y. C. Ma, Y. F. Yao, J. Zhang, L. K. Pan. J. Mater. Chem. A 2025, 13, 17197.
doi: 10.1039/d5ta00922g |
| 36 |
T. P. Hu, H. C. Huang, G. B. Zhou, X. Y. Wang, J. X. Zhu, Z. Cheng, F. J. Fu, X. X. Wang, F. Z. Dai, K. Yu, et al.. Nat. Commun. 2025, 16, 7379.
doi: 10.1038/s41467-025-62824-5 |
| 37 |
R. R. Sharma, V. Venkatkrishna, V. Balakrishna, S. Ganguly. Adv. Eng. Mater. 2025, 27, 2402584.
doi: 10.1002/adem.202402584 |
| 38 |
G. S. Xu, M. X. Jiang, J. L. Li, X. Y. Xuan, J. B. Li, T. Lu, L. K. Pan. Energy Storage Mater. 2024, 72, 103710.
doi: 10.1016/j.ensm.2024.103710 |
| 39 |
G. S. Xu, Y. Li, J. F. Li, J. L. Li, X. J. Liu, C. L. Wang, W. J. Mai, G. Yang, L. K. Pan. Angew. Chem. Int. Ed. 2025, 64, e202511389.
doi: 10.1002/anie.202511389 |
| 40 |
H. Wang, Y. Q. Li, X. Y. Xuan, K. Wang, Y. F. Yao, L. K. Pan. Environ. Sci. Technol. 2025, 59, 6361.
doi: 10.1021/acs.est.5c00390 |
| 41 |
G. Xu, Y. Zhang, M. Jiang, J. Li, H. Sun, J. Li, T. Lu, C. Wang, G. Yang, L. Pan. Chem. Eng. J. 2023, 476, 146676.
doi: 10.1016/j.cej.2023.146676 |
| 42 |
H. R. Luo, Q. Z. Gou, Y. J. Zheng, K. X. Wang, R. D. Yuan, S. D. Zhang, W. Fang, Z. Luogu, Y. Z. Hu, H. P. Mei, et al.. ACS Nano 2025, 19, 2427.
doi: 10.1021/acsnano.4c13312 |
| 43 |
Y. Shang, V. Kundi, I. Pal, H. N. Kim, H. Y. Zhong, P. Kumar, D. Kundu. Adv. Mater. 2024, 36, 2309212.
doi: 10.1002/adma.202309212 |
| 44 |
M. Kim, M. Lee, I. Choi, J. Oh, S. Paik, A. Han, S. Lee, H. Hwang, J. Na, K. W. Nam. Small 2025, 21, 2411632.
doi: 10.1002/smll.202411632 |
| 45 |
J. F. Cai, Z. L. Wang, S. C. Wu, Y. Q. Han, J. J. Li. Energy Storage Mater. 2021, 42, 277.
doi: 10.1016/j.ensm.2021.07.042 |
| 46 |
Y. S. Wudil, M. A. Gondal, M. A. Al-Osta. ACS Appl. Mater. Interfaces 2025, 17, 10603.
doi: 10.1021/acsami.4c18556 |
| 47 |
N. A. Chowdhury, L. N. A. Henderson, S. Yaser, O. P. Oyeku, M. M. Tresa, C. Kundu, J. Thomas. Phys. Chem. Chem. Phys. 2025, 27, 16636.
doi: 10.1039/D5CP01218J |
| 48 |
L. Zhou, A. M. Yao, Y. Wu, Z. Hu, Y. Huang, Z. Hong. Adv. Theor. Simul. 2021, 4, 2100196.
doi: 10.1002/adts.202100196 |
| 49 |
H. Wang, C. L. Wang, J. F. Li, Y. Q. Li, Y. Liu, Z. Q. Chen, X. J. Liu, G. Yang, L. K. Pan. Sep. Purif. Technol. 2025, 376, 134181.
doi: 10.1016/j.seppur.2025.134181 |
| 50 |
H. Wang, M. X. Jiang, G. S. Xu, C. L. Wang, X. T. Xu, Y. Liu, Y. Q. Li, T. Lu, G. Yang, L. K. Pan. Small 2024, 20, 2401214.
doi: 10.1002/smll.202401214 |
| 51 |
X. Guo, J. Zhou, C. Bai, X. Li, G. Fang, S. Liang. Mater. Today Energy 2020, 16, 100396.
doi: 10.1016/j.mtener.2020.100396 |
| 52 |
W. Zhao, Q. Kong, X. Wu, X. An, J. Zhang, X. Liu, W. Yao. Appl. Surf. Sci. 2022, 605, 154685.
doi: 10.1016/j.apsusc.2022.154685 |
| 53 |
L. Breiman. Mach. Learn. 2001, 45, 5.
doi: 10.1023/A:1010933404324 |
| 54 |
C. Cortes, V. Vapnik. Mach. Learn. 1995, 20, 273.
doi: 10.1007/BF00994018 |
| 55 |
T. Chen, C. Guestrin, XGBoost: a scalable tree boosting system, Proceedings of the 22nd ACM SIGKDD International Conference on Knowledge Discovery and Data Mining, KDD, San Francisco, CA, USA, 2016, pp. 785–794 August 13–17, 2016. New York: ACM, 2016.
|
| 56 |
R. Tian, S.-H. Park, P. J. King, G. Cunningham, J. Coelho, V. Nicolosi, J. N. Coleman. Nat. Commun. 2019, 10, 1933.
doi: 10.1038/s41467-019-09792-9 |
| 57 |
X. Zhao, Y. Li, Y. Wang, E. Song, R. Ma, J. Liu. Nat. Commun. 2025, 16, 5718.
doi: 10.1038/s41467-025-60823-0 |
| 58 |
G. J. Li, L. Sun, S. L. Zhang, C. F. Zhang, H. Y. Jin, K. Davey, G. M. Liang, S. L. Liu, J. F. Mao, Z. P. Guo. Adv. Funct. Mater. 2024, 34, 2301291.
doi: 10.1002/adfm.202301291 |
| 59 |
D. Wang, S. Zhang, C. Li, X. Chen, W. Wang, Y. Han, H. Lin, Z. Shi, S. Feng. Chem. Eng. J. 2022, 435, 134754.
doi: 10.1016/j.cej.2022.134754 |
| 60 |
N. Zhang, F. Cheng, J. Liu, L. Wang, X. Long, X. Liu, F. Li, J. Chen. Nat. Commun. 2017, 8, 405.
doi: 10.1038/s41467-017-00467-x |
| 61 |
N. Gao, Y. Song, C. Li, C. Q. Hu. ACS Appl. Mater. Interfaces 2023, 15, 28044.
doi: 10.1021/acsami.3c03437 |
| 62 |
H. Li, Z. Huang, B. Chen, Y. Jiang, C. Li, W. Xiao, X. Yan. J. Power Sources 2022, 527, 231198.
doi: 10.1016/j.jpowsour.2022.231198 |
| 63 |
F. Long, Y. Xiang, S. Yang, Y. Li, H. Du, Y. Liu, X. Wu, X. Wu. J. Colloid Interface Sci. 2022, 616, 101.
doi: 10.1016/j.jcis.2022.02.059 |
| 64 |
Z. Wang, K. Han, Q. Wan, Y. Fang, X. Qu, P. Li. ACS Appl. Mater. Interfaces 2022, 15, 859.
doi: 10.1021/acsami.2c15924 |
| 65 |
M. Chamoun, W. R. Brant, C.-W. Tai, G. Karlsson, D. Noréus. Energy Storage Mater. 2018, 15, 351.
doi: 10.1016/j.ensm.2018.06.019 |
| 66 |
J. Yang, J. Y. Cao, Y. D. Peng, W. J. Yang, S. Barg, Z. Liu, I. A. Kinloch, M. A. Bissett, R. A. W. Dryfe. ChemSusChem 2020, 13, 4103.
doi: 10.1002/cssc.202001216 |
| 67 |
F. Gao, W. Shi, B. Jiang, Z. Xia, L. Zhang, Q. An. Batteries 2023, 9, 9010050.
doi: 10.3390/batteries9010050 |
| 68 |
D. A. Kitchaev, H. W. Peng, Y. Liu, J. W. Sun, J. P. Perdew, G. Ceder. Phys. Rev. B 2016, 93, 045132.
doi: 10.1103/PhysRevB.93.045132 |
| 69 |
T. Le, N. Sadique, L. M. Housel, A. S. Poyraz, E. S. Takeuchi, K. J. Takeuchi, A. C. Marschilok, P. Liu. ACS Appl. Mater. Interfaces 2021, 13, 59937.
doi: 10.1021/acsami.1c18849 |
| 70 |
T. Le, E. S. Takeuchi, K. J. Takeuchi, A. C. Marschilok, P. Liu. J. Phys. Chem. C 2023, 127, 907.
doi: 10.1021/acs.jpcc.2c06851 |
| [1] | 伍昊, 李凤麒, 石欣伟, 卞海峰, 周庆, 贾顺顺, 马玉洁, 顾坚, 张靖梓, 何水剑, 孟祥康. 机器学习指导筛选多主元合金作为析氢反应电催化剂[J]. 物理化学学报, 2026, 42(8): 100227 - . |
| [2] | 武利琛, 杨祎晗, 周江, 鲁兵安. 钾离子电池过渡金属氧化物正极材料:研究进展与设计策略[J]. 物理化学学报, 2026, 42(7): 100217 - . |
| [3] | 罗涵之, 梁琦茗, 郭子兴, 谢忻恬, 唐锦朋, 管曈, 李晔飞, 马思聪, 许颖忱, 王振雄, 商城, 刘智攀. LASPAI:人工智能驱动的未来原子模拟平台[J]. 物理化学学报, 2026, 42(6): 100235 - . |
| [4] | 李培才, 王绪斌, 张庆华, 王伯文, 容晓晖, 胡勇胜, 李忠涛. 高倍率长寿命P2型钠离子电池正极材料[J]. 物理化学学报, 2026, 42(5): 100214 - . |
| [5] | 王双, 傅小奇, 姚山山. 钠离子电池正极材料中离子迁移与电子转移的协同优化[J]. 物理化学学报, 2026, 42(5): 100206 - . |
| [6] | 李孟修, 毛佳辉, 倪江锋, 李亮. 一石三鸟:路易斯酸热诱导改性Li5FeO4[J]. 物理化学学报, 2026, 42(4): 100189 - . |
| [7] | 王荣荣, 李晨, 任祥, 张克良, 孙宇, 孙现众, 王凯, 张熊, 马衍伟. 锂离子电池中环保型富镍正极浆料系统的最新进展与挑战[J]. 物理化学学报, 2026, 42(4): 100222 - . |
| [8] | 曹键, 刘畅, 王丹棱, 李海潮, 徐丽娜, 肖洪平, 詹绍琦, 何晓, 方国勇. 基于机器学习势的二维Ⅲ族氮化物性质预测[J]. 物理化学学报, 2026, 42(4): 100224 - . |
| [9] | 张亚娟, 黎晋良, 张希, 李悦, 孙鹏, 徐昊, 潘丽坤. 缓解硫化物基全固态电池对压力的依赖性:高镍正极的结构与界面调控策略[J]. 物理化学学报, 2026, 42(4): 100204 - . |
| [10] | Vanita Vanita, Roland Schoch, Pascal Puphal, Hasan Yilmaz, Matthias Bauer, Oliver Clemens. 双层锰酸盐正极LaSr2Mn2O6.96在全固态氟离子电池中的结构与电化学行为[J]. 物理化学学报, 2026, 42(3): 100181 - . |
| [11] | 赵珊, 刘旭, 郭昊天, 柳宗琳, 王鹏飞, 舒杰, 伊廷锋. 高熵P2/O3双相正极的协同设计助力高性能钠离子电池[J]. 物理化学学报, 2026, 42(1): 100129 - . |
| [12] | 梁英, 邓羽恒, 余士律, 程家豪, 宋嘉伟, 姚俊, 杨亦辰, 张万雷, 周文靖, 张欣, 沈文剑, 梁桂杰, 李彬, 彭勇, 胡润, 李望南. 机器学习辅助减反膜结构设计与界面修饰协同优化的高效稳定钙钛矿太阳能电池[J]. 物理化学学报, 2025, 41(9): 100098 - . |
| [13] | 马千里, 宋天兵, 何天乐, 张熙荣, 熊焕明. 硫掺杂的碳点作为双功能电解液添加剂实现高性能水系锌离子电池[J]. 物理化学学报, 2025, 41(9): 100106 - . |
| [14] | 宋亮亮, 梁颢严, 李顺清, 邱报, 刘兆平. 超高比能电池高锰富锂层状氧化物正极材料面临的挑战与解决策略[J]. 物理化学学报, 2025, 41(8): 100085 - . |
| [15] | 彭羽, 陈嘉威, 殷悦, 曹永杰, 廖莫愁, 王丛笑, 董晓丽, 夏永姚. 无碳酸乙烯酯电解液定向构筑正极电解质界面相实现高电压钴酸锂的宽温域稳定运行[J]. 物理化学学报, 2025, 41(8): 100087 - . |
|
||