【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】近日，秦皇島分校伊廷鋒教授團(tuán)隊在水系鋅離子電池領(lǐng)域取得重要進(jìn)展，研究成果“Unlocking the Critical Role of Cations Doping in MnO2 Cathode with Enhanced Reaction Kinetics for Aqueous Zinc Ion Batteries(揭示陽離子摻雜在 MnO2 正極中的關(guān)鍵作用—提升水系鋅離子電池的反應(yīng)動力學(xué))”發(fā)表在材料領(lǐng)域國際頂刊Advanced Functional Materials。秦皇島分校材料科學(xué)與工程專業(yè)博士研究生李桃桃為第一作者，伊廷鋒教授和四川大學(xué)張千玉副教授為論文通訊作者，東北大學(xué)為第一完成單位。
二氧化錳(MnO2)基水系可充電鋅離子電池(ZIBs)陰極具備良好的可持續(xù)性特點，正被考慮用于低成本、高安全性的儲能領(lǐng)域。然而，MnO2陰極因不可逆相變、錳溶解及低電導(dǎo)率等問題，循環(huán)壽命和容量受限。盡管摻雜金屬陽離子提升MnO2性能的手段已廣泛探索，但當(dāng)前研究多集中于單一金屬陽離子比例的控制或與其他改性的協(xié)同效應(yīng)上，對金屬陽離子存在及其調(diào)控MnO2電荷存儲機(jī)理的研究尚少。
摻雜金屬陽離子(Fe3+/Co2+) FMO/CMO 結(jié)構(gòu)增強(qiáng)示意圖
基于此，該研究團(tuán)隊采用表面活性劑輔助沉淀法制備了納米片狀δ-MnO2及其Fe3+和Co2+摻雜改性材料FMO和CMO，系統(tǒng)探究了摻雜對δ-MnO2電化學(xué)性能的影響。研究發(fā)現(xiàn)，摻入Fe3+能夠調(diào)節(jié)Zn2+/H+與MnO2結(jié)構(gòu)之間的相互作用，減輕Zn2+插入引起的晶格應(yīng)變，抑制ZnMn2O4副產(chǎn)物的形成。摻入Co2+能夠提高M(jìn)nO2結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，促進(jìn)Zn2+快速擴(kuò)散，阻礙副產(chǎn)物形成。理論計算表明，在FMO和CMO中，相鄰的錳原子分別被Fe原子和Co原子取代。根據(jù)總態(tài)密度(TDOS)分析，F(xiàn)MO和CMO在費(fèi)米水平附近的連續(xù)電子占據(jù)表明其具有很高的電子導(dǎo)電性。MnO2中引入Fe和Co能有效緩解離子插層與MnO2之間的強(qiáng)相互作用，有利于Zn2+/H+在MnO2層內(nèi)快速轉(zhuǎn)移，而不會造成結(jié)構(gòu)破壞。此外，F(xiàn)e3+和Co2+的引入顯著改變了過渡金屬層的電荷分布，從而導(dǎo)致Fe和Co原子周圍的電荷減少，這表明電子供體對高容量的作用。該研究為Zn//MnO2電池的設(shè)計與性能提升提供了新的思路。
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