新材料學(xué)院發(fā)現(xiàn)具有H+/Zn2+協(xié)同嵌入機(jī)制的高性能安全的水系二次電池
? ? 新材料學(xué)院2019年10月21日訊，我院潘鋒教授團(tuán)隊(duì)在研究工作中取得關(guān)鍵進(jìn)展。
? ? 中國(guó)可再生能源非常豐富，包括風(fēng)能、太陽(yáng)能、地?zé)崮艿龋@些新能源產(chǎn)生的電能需要儲(chǔ)存起來(lái)，大規(guī)模儲(chǔ)能電池未來(lái)在中國(guó)具有非常廣闊的發(fā)展空間，此外大規(guī)模使用電動(dòng)車需要低成本和高安全的新型電池體系。水系Zn/MnO2可充放電的二次電池具有成本低廉、環(huán)境友好、且能量密度較高的諸多優(yōu)勢(shì)，是未來(lái)大規(guī)模儲(chǔ)能電池和電動(dòng)車動(dòng)力電池重要候選體系。
? ? 傳統(tǒng)的堿性Zn-MnO2電池存在容量衰減快、庫(kù)倫效率低和析氫副反應(yīng)嚴(yán)重的一系列問(wèn)題，因此發(fā)展具有優(yōu)異可充放性能的中微酸性體系Zn-MnO2電池是當(dāng)前科研界和產(chǎn)業(yè)界共同關(guān)心的問(wèn)題。為了盡可能的增加MnO2正極材料的容量，提高循環(huán)穩(wěn)定性，人們針對(duì)MnO2正極做了非常多的研究工作，包括調(diào)控晶體結(jié)構(gòu)、生長(zhǎng)方式、調(diào)控電解液等。其中還有的關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題是放電過(guò)程中Mn2+溶出、H+/Zn2+嵌入/脫出引起的相轉(zhuǎn)變、層狀結(jié)構(gòu)坍塌、電化學(xué)惰性副產(chǎn)物生成等均會(huì)造成MnO2正極材料容量的快速衰減，這極大的制約了Zn/MnO2電池的產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程。在諸多的容量衰減原因之中，H+/Zn2+嵌入/脫出引起的相轉(zhuǎn)變過(guò)程被認(rèn)為是MnO2材料衰減的最本質(zhì)原因。如能通過(guò)晶體結(jié)構(gòu)及形貌的調(diào)控設(shè)計(jì)，得到一種在H+/Zn2+嵌入/脫出中能保持極好結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的錳氧化物材料，Zn/MnO2電池的循環(huán)穩(wěn)定性就能得到極大提高。
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圖1? H+/Zn2+在錳氧化物納米片充放電過(guò)程中協(xié)同的高容量的充放電
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? ? 新材料學(xué)院潘鋒教授團(tuán)隊(duì)近期調(diào)控設(shè)計(jì)并得到了一種具有特殊納米片層結(jié)構(gòu)的錳氧化物，并首次提出了錳氧化物H+/Zn2+協(xié)同嵌入的機(jī)制，相關(guān)成果以“Unravelling H+/Zn2+ Synergistic Intercalation in a Novel Phase of Manganese Oxide for High-Performance Aqueous Rechargeable Battery”為題發(fā)表在國(guó)際著名科技期刊Small（doi.org/10.1002/smll.201904545.，IF 10.857）上。該研究采用簡(jiǎn)單的水熱反應(yīng)，制備得到了單斜晶系（P21/c(14)）的錳氧化物納米片（MnO2H0.16(H2O)0.27，MON），其中納米片層厚度僅~2.5nm，該特殊結(jié)構(gòu)極大的降低了離子擴(kuò)散距離，促進(jìn)了H+/Zn2+脫出/嵌入（充放電）的反應(yīng)動(dòng)力學(xué)。其次，該研究采用多種實(shí)驗(yàn)表征方法，結(jié)合第一性原理計(jì)算，首次提出并驗(yàn)證了H+/Zn2+在MON充放電過(guò)程中協(xié)同的嵌入/脫出的觀點(diǎn)。最后，該研究也發(fā)現(xiàn)了H+的嵌入/脫出是MON正極材料高倍率性能的本質(zhì)原因。
? ? 能夠發(fā)現(xiàn)并得到這種新型錳氧化物并非偶然。此前新材料學(xué)院潘鋒教授團(tuán)隊(duì)針對(duì)MnO2制備過(guò)程晶體生長(zhǎng)機(jī)制和相結(jié)構(gòu)的演化、充放電機(jī)制和相應(yīng)衰減機(jī)理進(jìn)行了詳細(xì)研究，相關(guān)成果以“Tuning phase evolution of β-MnO2 during microwave hydrothermal synthesis for high-performance aqueous Zn ion battery”為題發(fā)表在國(guó)際著名科技期刊Nano Energy（doi.org/10.1016/j.nanoen.2019.103942，IF 15.548）上。
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圖2? 制備過(guò)程晶體生長(zhǎng)機(jī)制和相結(jié)構(gòu)的演化
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? ? 研究發(fā)現(xiàn)了只有熱力學(xué)穩(wěn)定的MnO2相同時(shí)具備高容量和高循環(huán)穩(wěn)定性，這點(diǎn)對(duì)于其他的過(guò)渡族金屬氧化物正極也有一定的普適性，如Co3O4、NiOOH等。同時(shí)，該研究發(fā)現(xiàn)H+的嵌入/脫出是β-MnO2正極材料充放電的本質(zhì)，且首次闡述清楚了MnO2正極材料容量衰減的機(jī)制。該研究對(duì)MnO2正極材料的產(chǎn)業(yè)化制備具有積極的意義。
? ? 以上兩項(xiàng)工作都是在潘鋒教授指導(dǎo)下，由團(tuán)隊(duì)成員趙慶賀（特聘研究員）、陳鑫（18級(jí)碩士生）和劉明薔（17級(jí)碩士生）共同完成。該工作得到了國(guó)家材料基因工程重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、廣東省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、深圳市科技創(chuàng)新委員會(huì)等項(xiàng)目的大力支持。
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文章鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/smll.201904545
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2211285519306494
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