湖北大学团队在锌离子电池研究领域获进展
时间:2020-11-03 09:35来源:湖北大学 作者:综合报道
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图1 论文内封面图
湖北大学物电学院（微电子学院）王浩教授团队在锌离子电池研究领域取得进展，研究成果“Valence Engineering via In-situ Carbon Reduction on Octahedron Sites Mn3O4 for Ultra-Long Cycle Life Aqueous Zn-Ion Battery”（《原位碳还原实现八面体Mn3O4价态工程的超长寿命水系锌离子电池》）10月13日以内封面论文形式发表在国际能源材料类顶级期刊Advanced Energy Materials（IF：25.245）。此前，论文在线发表后，得到Materials Views China、中国功能材料网、能源谷等学术媒体转载报道。硕士生檀秋阳为第一作者，王浩教授和万厚钊副教授、华中科技大学缪灵副教授、德国马普固体研究所王毅高级研究员为共同通讯作者，湖北大学为第一单位和第一通讯单位。
随着日益严重的能源�；�，高效储能装置的研发受到了广泛关注。由于高比能量，锂离子电池在当前电池市场中得到广泛使用。但是，地球上有限的锂资源使得含锂材料变得昂贵，并且锂离子电池存在安全问题。水系可充电锌离子电池具有高比容量、高安全性和低成本性，这使得其具有广阔的应用前景。其中，高性能阴极材料的开发是研究的焦点之一。由于锰基氧化物在地球上的储量丰富，无毒无污染和高放电电压，引起了研究人员的极大兴趣。然而，在锌离子嵌入过程中由于姜泰勒效应带来的歧化现象会导致Mn2+溶解，极大削减了电池的循环寿命。
图2 体相氧缺陷Mn3O4@C纳米棒阵列的形成机理
为了解决这一问题，王浩教授团队通过高效的价态工程提高锰氧化物阴极的结构稳定性，进而提升材料的循环寿命。制备过程中采用锰基金属有机骨架作为前驱体，进行原位碳化获得体相氧缺陷Mn3O4@C纳米棒阵列。由体相氧缺陷调控电子结构引发的价态工程，可以改变[MnO6]八面体晶体场构型进而抑制Mn2+的溶解。第一性原理计算进一步表明，体相氧缺陷可以提高材料的固有电导率，并为Zn2+和H+的插入提供更多的活性位点。由体相氧缺陷Mn3O4@C纳米棒阵列组装而成的水系锌离子电池表现出超长的循环寿命，在5 A g-1的电流密度下经过12000次循环后仍达到84.1 mAh g-1的比容量（高达初始容量的95.7%）。
图3 体相氧缺陷Mn3O4@C纳米棒阵列的电子能量损失谱、电子结构及柔性准固态锌离子电池的应用
该研究成果为实现水系锌离子电池超长循环寿命提供了有效途径，为其商业化应用奠定了实验与理论基础。
全文链接：https://doi.org/10.1002/aenm.202001050
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