復旦大學夏永姚、王永剛教授研究團隊在水系鋅-錳電池研究取得新進展
近日，復旦大學夏永姚，王永剛教授團隊在水系鋅-錳電池研究方面取得新進展，相關工作“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注，然而目前所報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，綠色安全等特點吸引了研究者的廣泛關注。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。但無論是α，β，γ還是δ晶型的MnO2，其在循環(huán)過程中都會發(fā)生結構變化，轉變?yōu)橛兴肿忧度氲膶訝钛趸i相。相變產生大的體積變化，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造成結構坍塌，進一步致使容量衰減。針對這一問題，該研究團隊通過界面反應法，將聚苯胺（PANI）作為客體材料插層于主體材料納米層狀MnO2，擴展了MnO2儲鋅通道的同時有效強化了擴展后的層結構，從而有效的提升鋅離子存儲性能和材料的結構穩(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90%（～280mAh/g）時仍能保持很好的循環(huán)穩(wěn)定性。
此外，研究人員詳細闡明了復合材料中Zn2+/H+的共嵌機理：第一個放電平臺主要為H+的嵌入；隨著電極周圍H+濃度降低，Zn2+嵌入主導電化學反應，產生第二個放電平臺；與此同時，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， H+的脫出會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旦大學博士后黃健航，通訊作者為復旦大學王永剛教授。該項目得到了國家重點研發(fā)計劃和國家自然科學基金委的資助。
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