錳基可充水鋅離子電池（ZIBs）正極材料動(dòng)力學(xué)遲緩、結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定嚴(yán)重，導(dǎo)致其倍率容量低、可循環(huán)性差，阻礙了其實(shí)際應(yīng)用。預(yù)插層法柱狀二氧化錳（MnO2）是解決上述問(wèn)題的有效策略。然而，增加預(yù)插層含量以實(shí)現(xiàn)大電流密度下高容量的穩(wěn)定循環(huán)仍然是一個(gè)挑戰(zhàn)。本文采用高容量的K
+柱狀多納米通道MnO
2陰極（δ-K
0.25MnO
2），每4 Mn為1 K，實(shí)現(xiàn)了高速率的水溶液Zn
2+存儲(chǔ)。高含量的K
+柱，結(jié)合三維約束效應(yīng)和尺寸效應(yīng)，促進(jìn)了循環(huán)過(guò)程中多納米通道層狀MnO
2在離子插入/去除過(guò)程中的穩(wěn)定性和電子傳遞，加速并容納更多的Zn
2+擴(kuò)散。多角度的原位/非原位表征表明，Zn
2+/H
+離子的共插層和相變過(guò)程是儲(chǔ)能機(jī)制。更具體地說(shuō)，δ-K
0.25MnO
2納米球陰極在1 A g
−1下提供了297 mAh g
−1的超高可逆容量，循環(huán)500次，顯示出超過(guò)96%的δ-MnO
2理論容量利用率。即使在3a g
−1的情況下，在1000次循環(huán)后，它也提供了63%的利用率和64%的容量保留。介紹了一種基于氧化錳的高效正極材料，并對(duì)其結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)進(jìn)行了全面分析。這些發(fā)現(xiàn)有可能顯著提高ZIB的儲(chǔ)能能力。
圖1. (a) KMnO納米球的合成示意圖。(b) δ-K
0.25MnO
2的XRD譜圖。(c) δ-K
0.25MnO
2中K2p、Mn2p和O1s的XPS光譜。(d) δ-K
0.25MnO
2的拉曼光譜。(e)透射電鏡圖像。(f) HR-TEM圖像和SAED圖像（插圖）。(g) HRTEM衍射條紋計(jì)算的選定區(qū)域的平均層間距離。
(h) HAADF-STEM圖像及其對(duì)應(yīng)的K、Mn、O元素映射。
圖2. δ-K
0.25MnO
2納米球陰極的電化學(xué)性能。(a)前3個(gè)周期0.1 mV/s的CV曲線。
(b)前3個(gè)循環(huán)100 mA/g時(shí)的GCD曲線。(c) 0.1 ~ 1 A/g不同電流密度下的GCD曲線。
(d)比率執(zhí)行情況。(e)-(f)電流密度為1 A/g和3 A/g時(shí)的循環(huán)性能。
圖3.δ-K
0.25MnO
2納米球陰極電化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)分析。(a)不同掃描速率下的CV曲線。(b)特定峰值電流的Log i和Log v圖。(c)典型的CV曲線顯示了0.1 mV s
−1時(shí)電容對(duì)總電容的貢獻(xiàn)。(d)電容容量和擴(kuò)散控制容量的貢獻(xiàn)率。(e)充電/放電過(guò)程中GITT曲線及相應(yīng)的離子擴(kuò)散系數(shù)。
圖4. δ-K
0.25MnO
2基電池不同充放電狀態(tài)的原位研究。在初始兩次放電循環(huán)中，不同放電/充電狀態(tài)下的原位XRD等值線圖。
圖5. δ-K
0.25MnO
2基電池在不同充放電狀態(tài)下的非原位研究。（a）—（c）HAADF-STEM和STEM-EDS映射。Mn 2p、O 1s和Zn 2p在第一次完全放電和充電狀態(tài)下的（d-f）高分辨XPS光譜。（g） 放電至0.8 V時(shí)電極的HRTEM圖像。
圖6.層狀K+柱撐MnO
2電極Zn
2+/H
+儲(chǔ)存機(jī)理示意圖。
相關(guān)研究成果由中國(guó)科學(xué)院大學(xué)寧波材料工程學(xué)院Zhaoping Liu、燕山大學(xué)Guangjie Shao華北理工大學(xué)Lei Dai和燕山大學(xué)Guangjie Shao、Zhipeng Ma 課題組2024年發(fā)表在Journal of Colloid and Interface Science (鏈接: https://doi.org/10.1016/j.jcis.2024.06.170)上。原文：High-capacity K
+-pillared layered manganese dioxide as cathode material for high-rate aqueous zinc-ion battery
轉(zhuǎn)自《石墨烯研究》公眾號(hào)
