【水系儲能】『水系鋅電』南京工業(yè)大學(xué) 王瑾 CEJ：結(jié)構(gòu)調(diào)制的 δ-MnO2 納米線中的插層-提取機(jī)制實(shí)現(xiàn)高性能水系鋅離子電池
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研究背景
可充電水系鋅離子電池（ZIBs）因其低成本、高安全性和環(huán)境友好性而近來受到廣泛關(guān)注。然而，錳基材料總是存在不可逆的結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變和緩慢的反應(yīng)動(dòng)力學(xué)，導(dǎo)致容量低和循環(huán)穩(wěn)定性差，阻礙了它們在大規(guī)模儲能中的實(shí)際應(yīng)用。近日，南京工業(yè)大學(xué)王瑾團(tuán)隊(duì)展示了一種結(jié)構(gòu)調(diào)制策略，通過 Cu2+ 嵌入來操縱層狀 δ–MnO2 中的電化學(xué)反應(yīng)機(jī)制。在最初幾個(gè)循環(huán)中可逆的 Zn2+ 嵌入和 H+ 轉(zhuǎn)化反應(yīng)之后，在結(jié)構(gòu)調(diào)制的 δ-MnO2 電極中發(fā)現(xiàn)了有利的 H+/Zn2+ 嵌入-提取機(jī)制，通過多種分析手段對其進(jìn)行了徹底的研究和證明。由此產(chǎn)生的 δ–MnO2 正極提供快速且可逆的 Zn2+ 存儲，在 0.1 A g-1 下具有 398.2 mAh g-1 的高可逆容量和在 5 A g-1 下循環(huán) 700 次后容量保持率為 90.1%。進(jìn)一步的非原位表征證明了結(jié)構(gòu)調(diào)制的 δ-MnO2 陰極中快速且可逆的 H+/Zn2+ 存儲。密度泛函理論計(jì)算表明，δ-MnO2 中的 Cu2+ 插層通過與氧原子結(jié)合的強(qiáng)離子鍵有效地增強(qiáng)了 δ-MnO2 的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，并優(yōu)化了 δ-MnO2 的電子帶隙和離子/電荷態(tài)，從而有利于離子嵌入——提取機(jī)制。這種結(jié)構(gòu)調(diào)制策略通過操縱 ZIBs 電極材料中的電化學(xué)反應(yīng)機(jī)制，為開發(fā)堅(jiān)固結(jié)構(gòu)的正極材料提供了新的途徑。其成果以題為 “Manipulating intercalation-extraction mechanisms in structurally modulated δ-MnO2 nanowires for high-performance aqueous zinc-ion batteries” 在國際知名期刊 Chem. Eng. J. 上發(fā)表。
研究亮點(diǎn)
1. 通過 Cu2+ 插層來操縱 δ-MnO2 的插層-萃取機(jī)制。
2. δ-MnO2 中的 Cu2+ 插層增強(qiáng)了 δ-MnO2 的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。
3. H+/Zn2+ 嵌入-萃取機(jī)制在幾個(gè)循環(huán)后被確定。
4. 結(jié)構(gòu)調(diào)制的 δ–MnO2 具有快速且可逆的 Zn2+ 存儲特性。
研究結(jié)論
總之，本文展示了一種新的電荷存儲機(jī)制，在結(jié)構(gòu)調(diào)制的 δ–MnO2 正極中通過 Cu2+ 嵌入高性能水系 ZIBs。在最初幾個(gè)循環(huán)中可逆的 Zn2+ 嵌入和 H+ 轉(zhuǎn)化反應(yīng)之后，在結(jié)構(gòu)調(diào)制的 δ-MnO2 電極中發(fā)現(xiàn)了一種有利的“層狀到層狀”H+/Zn2+ 嵌入-提取機(jī)制，通過多種分析手段對其進(jìn)行了深入研究和證明。這種結(jié)構(gòu)調(diào)制的 δ-MnO2 正極具有快速且可逆的 Zn2+ 存儲，在 0.1 A g-1 下表現(xiàn)出 398.2 mAh g-1 的高可逆容量和在 5 A g-1 下循環(huán) 700 次后容量保持率為 90.1%。δ-MnO2 中的 Cu2+ 嵌入通過與氧原子鍵合的強(qiáng)離子鍵有效地增強(qiáng)了 δ-MnO2 的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，并且還優(yōu)化了 δ-MnO2 的電子帶隙和離子/電荷態(tài)，DFT 計(jì)算結(jié)果證明了這一點(diǎn).這種結(jié)構(gòu)調(diào)制策略通過操縱 ZIBs 電極材料中的電化學(xué)反應(yīng)機(jī)制，為開發(fā)堅(jiān)固結(jié)構(gòu)的正極材料提供了新的途徑。
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Manipulating intercalation-extraction mechanisms in structurally modulated δ-MnO2 nanowires for high-performance aqueous zinc-ion batteries, Rongguo Zhang, Pei Liang, Hao Yang, Huihua Min, Mengmeng Niu, Siyan Jin, Yuting Jiang, Zhigang Pan, Jiaxu Yan, Xiaodong Shen, Jin Wang*, https://doi.org/10.1016/j.cej.2021.133687