蘇州納米所在高能量密度鋅錳電池研究方面取得新進(jìn)展
近年來,水系鋅錳電池因其豐富的自然儲(chǔ)量,高理論容量、高電導(dǎo)率和本征安全性等特質(zhì)引起業(yè)界的廣泛關(guān)注。然而,由于正極材料的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和電解液-電極材料間的相互作用,二氧化錳正極材料在充放電循環(huán)中易發(fā)生結(jié)構(gòu)退化和其他副反應(yīng),嚴(yán)重阻礙了鋅錳可充電池的實(shí)際應(yīng)用。
為了解決這一問題,中科院蘇州納米所邸江濤、李清文團(tuán)隊(duì)在經(jīng)典的MnO2/MnOOH轉(zhuǎn)換反應(yīng)的基礎(chǔ)上引入二氧化錳的沉積溶解反應(yīng),可以將電極活性物質(zhì)因歧化反應(yīng)溶出的錳離子再沉積到電極上,實(shí)現(xiàn)了高循環(huán)穩(wěn)定性和高能量密度的鋅錳電池。
本文通過原位刻蝕技術(shù)在碳納米管三維網(wǎng)絡(luò)體內(nèi)部沉積二氧化錳作為電池正極。自支撐的泡沫電極具有高達(dá)98.6%的孔隙率和63 m2 g-1的比表面積,可以適應(yīng)MnO2沉積/溶解過程中的體積變化,并提供有效的電荷和離子傳輸路徑。此外,將電解液中Mn2+濃度調(diào)節(jié)到一個(gè)臨界范圍,可以在中性電解液中實(shí)現(xiàn)MnO2/Mn2+氧化還原的可逆轉(zhuǎn)化,而不涉及氧的析出。附加的MnO2/Mn2+反應(yīng)可以回收MnO2/MnOOH反應(yīng)中的副產(chǎn)物(MnOOH → MnO2 + Mn2+),有效提高了電池的穩(wěn)定性。
圖 1. MnO2/CNT三維網(wǎng)絡(luò)電極儲(chǔ)能機(jī)理示意圖
因?yàn)殡娊庖赫{(diào)控和電極設(shè)計(jì)的雙重作用,鋅錳電池在中性電解液體系實(shí)現(xiàn)了單電子(Mn4+/Mn3+)和雙電子(Mn4+/Mn2+)的可逆轉(zhuǎn)換反應(yīng)的共存,并因此表現(xiàn)出優(yōu)秀的應(yīng)用潛力。經(jīng)電化學(xué)測試,鋅錳電池實(shí)現(xiàn)了1-2 V的電壓輸出,高的倍率性能(在19.5 A g-1的電流密度下容量高達(dá)430 mAh g-1),長的循環(huán)穩(wěn)定性(歷經(jīng)16000循環(huán)沒有明顯的容量衰減)和更佳的能量密度(602 Wh kg-1基于活性物質(zhì)的質(zhì)量)。
圖 2. 鋅錳電池的電化學(xué)測試
該研究成果以Highly Reversible Aqueous Zn-MnO2 Battery by Supplementing Mn2+-Mediated MnO2 Deposition and Dissolution為題發(fā)表在Advanced Functional Materials上(DOI:10.1002/adfm.202101579)。論文主要作者是中科院蘇州納米所碩士生沈曉帆和王曉娜副研究員,通訊作者為邸江濤研究員和李清文研究員。該工作得到了國家自然科學(xué)基金(21773293, 21975281)、國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃(2016YFA0203301, 2020YFB1312902)等科研項(xiàng)目的支持。
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