1成果简介
水系锌离子电池（AZIBs）因其高比容量、低成本和高安全性而受到关注。尽管在锌金属负极和水系电解液的研究上取得了一定的进展，但正极材料成为了限制AZIBs实际应用的主要因素。北京化工大学邱介山教授、北京化工大学杨琪教授、北京化工大学陆学君副教授在《Energy & Environmental Science》期刊发表名为“Deep ion mass transfer addressing the capacity shrink challenge of aqueous Zn||MnO2 batteries during the cathode scaleup”的论文。
本论文揭示了MnO2在高负载质量下比低负载质量下严重缩小的比容量问题，并提出了一种深度离子质量转移（DIMS）策略，通过在MnO2晶格中引入间隙碳（IC@MnO2）来调节Zn4SO4(OH)6·nH2O（ZHS）沉积行为，从而提高高负载质量下MnO2正极的利用效率。这项研究不仅阐明了长期存在的关于MnO2正极表面ZHS可逆形成不影响其性能的误解，而且为AZIBs从实验室到市场的过渡提供了一个有前景的研究方向。
2图文导读
图 1 展示了不同负载质量下MnO2正极的比容量，并解释了在高负载质量下比容量急剧下降的原因。图中说明了在小负载质量时，MnO2表面只有少量的ZHS形成，而在大负载质量时，ZHS会在MnO2表面形成较厚的覆盖层，阻碍了离子的传输， 导致比容量下降。
图 2 通过理论计算展示了IC@MnO2对ZHS沉积行为的影响。计算结果表明，IC@MnO2对SO42–和OH–的亲和力低于纯MnO2，这有助于减少ZHS的覆盖，从而促进了离子的传输。
图 3 展示了IC@MnO2的制备过程以及其与纯MnO2的形貌和结构对比。通过SEM、TEM和HRTEM等手段，可以看出IC@MnO2具有立方体形态，且在晶格中引入了间隙碳，形成了更多的原子缺陷和晶格膨胀，有利于离子扩散。
图 4 通过XRD、XPS、FTIR和XAS等表征手段进一步分析了IC@MnO2的晶体结构和化学环境。结果显示，间隙碳的引入改变了Mn的价态和局部化学环境，形成了Mn-O-C键，这有助于提高材料的离子存储能力。
图 5 通过充放电曲线、XRD、SEM和ICP-OES测试等手段，分析了在高负载质量下，IC@MnO2与纯MnO2相比，如何更有效地利用MnO2正极材料。结果显示，IC@MnO2在充放电过程中，Zn2+在正极材料中的分布更加均匀，表明了间隙碳的引入提高了高负载质量下MnO2的利用率。
图 6 展示了IC@MnO2与纯MnO2在电化学性能上的对比，包括CV曲线、充放电曲线、倍率性能、GITT曲线、EIS谱和长循环性能。结果表明，IC@MnO2具有更小的电荷转移阻抗、更快的离子扩散动力学和更好的循环稳定性，证明了间隙碳的引入显著提高了MnO2在高负载质量下的性能。
3小结
研究团队通过在MnO2晶格中引入IC@MnO2，有效解决了在高负载质量下MnO2正极材料比容量急剧下降的问题。间隙碳的引入减少了MnO2对OH–和SO42–的亲和力，从而抑制了充电过程中ZHS在MnO2表面的覆盖，促进了离子的深层传输和MnO2的有效利用。这项研究不仅提高了MnO2在高负载质量下的比容量和循环稳定性，而且阐明了先前关于MnO2正极表面ZHS形成对其性能影响的误解，为AZIBs的进一步发展和从实验室到市场的过渡提供了重要的指导。
文献链接：https://doi.org/10.1039/D4EE02871F
撰写人：姜娜、曾永
发布人：于鑫鹏