復(fù)旦大學(xué)夏永姚、王永剛教授研究團(tuán)隊(duì)在水系鋅-錳電池研究取得新進(jìn)展
近日，復(fù)旦大學(xué)夏永姚，王永剛教授團(tuán)隊(duì)在水系鋅-錳電池研究方面取得新進(jìn)展，相關(guān)工作“Polyaniline-intercalated manganese dioxide nanolayers as a high-performance cathode material for an aqueous zinc-ion battery”在線發(fā)表在《自然 通訊》 (Nature Commun., 2018, 9: 2906)。
Li+，Na+水系電池由于其安全性和環(huán)境友好性引起了廣泛的關(guān)注，然而目前所報(bào)道的水系鋰離子電池和鈉離子電池正極材料的比容量都較低（<150mAh/g）。近年來水系鋅離子電池由于其高比容量，綠色安全等特點(diǎn)吸引了研究者的廣泛關(guān)注。MnO2作為常用的正極材料，具有高理論容量(308mAh/g)、低成本、低毒性等優(yōu)點(diǎn)。但無論是α，β，γ還是δ晶型的MnO2，其在循環(huán)過程中都會(huì)發(fā)生結(jié)構(gòu)變化，轉(zhuǎn)變?yōu)橛兴肿忧度氲膶訝钛趸i相。相變產(chǎn)生大的體積變化，造成容量衰減；其次隨著深度充放電過程中水合陽離子嵌入也會(huì)造成結(jié)構(gòu)坍塌，進(jìn)一步致使容量衰減。針對(duì)這一問題，該研究團(tuán)隊(duì)通過界面反應(yīng)法，將聚苯胺（PANI）作為客體材料插層于主體材料納米層狀MnO2，擴(kuò)展了MnO2儲(chǔ)鋅通道的同時(shí)有效強(qiáng)化了擴(kuò)展后的層結(jié)構(gòu)，從而有效的提升鋅離子存儲(chǔ)性能和材料的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。以該材料為正極的鋅離子電池具有優(yōu)異的倍率性能和循環(huán)壽命。尤其是在活性材料利用率高達(dá)90%（～280mAh/g）時(shí)仍能保持很好的循環(huán)穩(wěn)定性。
此外，研究人員詳細(xì)闡明了復(fù)合材料中Zn2+/H+的共嵌機(jī)理：第一個(gè)放電平臺(tái)主要為H+的嵌入；隨著電極周圍H+濃度降低，Zn2+嵌入主導(dǎo)電化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生第二個(gè)放電平臺(tái)；與此同時(shí)，持續(xù)降低的H+濃度使得片狀堿式硫酸鋅在電極表面生成。反之在充電時(shí)， H+的脫出會(huì)溶解所生成的堿式硫酸鋅。該高度可逆的過程能夠緩沖電解液在充放電過程中pH值的變化，有益于提高循環(huán)穩(wěn)定性能。
該論文第一作者為復(fù)旦大學(xué)博士后黃健航，通訊作者為復(fù)旦大學(xué)王永剛教授。該項(xiàng)目得到了國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃和國家自然科學(xué)基金委的資助。
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