近年来,水系锌锰电池因其丰富的自然储量,高理论容量、高电导率和本征安全性等特质引起业界的广泛关注。然而,由于正极材料的结构稳定性和电解液-电极材料间的相互作用,二氧化锰正极材料在充放电循环中易发生结构退化和其他副反应,严重阻碍了锌锰可充电池的实际应用。
为了解决这一问题,中科院苏州纳米所邸江涛、李清文团队在经典的MnO2/MnOOH转换反应的基础上引入二氧化锰的沉积溶解反应,可以将电极活性物质因歧化反应溶出的锰离子再沉积到电极上,实现了高循环稳定性和高能量密度的锌锰电池。
本文通过原位刻蚀技术在碳纳米管三维网络体内部沉积二氧化锰作为电池正极。自支撑的泡沫电极具有高达98.6%的孔隙率和63 m2 g-1的比表面积,可以适应MnO2沉积/溶解过程中的体积变化,并提供有效的电荷和离子传输路径。此外,将电解液中Mn2+浓度调节到一个临界范围,可以在中性电解液中实现MnO2/Mn2+氧化还原的可逆转化,而不涉及氧的析出。附加的MnO2/Mn2+反应可以回收MnO2/MnOOH反应中的副产物(MnOOH → MnO2 + Mn2+),有效提高了电池的稳定性。
高能量密度锌锰电池
图 1. MnO2/CNT三维网络电极储能机理示意图 因为电解液调控和电极设计的双重作用,锌锰电池在中性电解液体系实现了单电子(Mn4+/Mn3+)和双电子(Mn4+/Mn2+)的可逆转换反应的共存,并因此表现出优秀的应用潜力。经电化学测试,锌锰电池实现了1-2 V的电压输出,高的倍率性能(在19.5 A g-1的电流密度下容量高达430 mAh g-1),长的循环稳定性(历经16000循环没有明显的容量衰减)和更佳的能量密度(602 Wh kg-1基于活性物质的质量)。
高能量密度锌锰电池
图 2. 锌锰电池的电化学测试 该研究成果以Highly Reversible Aqueous Zn-MnO2 Battery by Supplementing Mn2+-Mediated MnO2 Deposition and Dissolution为题发表在Advanced Functional Materials上(DOI:10.1002/adfm.202101579)。论文主要作者是中科院苏州纳米所硕士生沈晓帆和王晓娜副研究员,通讯作者为邸江涛研究员和李清文研究员。该工作得到了国家自然科学基金(21773293, 21975281)、国家重点研发计划(2016YFA0203301, 2020YFB1312902)等科研项目的支持。
文章来源:苏州纳米所
李清文,中科院“百人计划”研究员,博士生导师,中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所副所长。获国务院政府特殊津贴(2015)、江苏省333工程第二层次培养对象(2016)、江苏省科技进步三等奖(2014)、苏州工业园区领军人才(2011)、江苏省创新创业人才(2009)等。国际著名“Carbon”和“Advanced electronic materials”杂志编委。2000年获得清华大学化学系博士学位;2001/3-2007/12间分别在北京大学化学系、英国剑桥大学材料系和美国Los Alamos 国家实验室以博士后和助理研究员身份从事碳纳米管制备与应用研究。2008/1回国致力于纳米碳低成本可控制备、多级结构加工以及纳米碳宏观体在功能复合材料和能源方面应用研究,曾主持和参与多项科技部纳米专项、基金委重点及面上、江苏省成果转化重点项目、总装预研重点项目等,高纯度半导体碳纳米管分离、碳纳米管纤维与薄膜连续制备技术等已成功获得技术转化,相关成果在Nature、Nature materials、Nature nanotechnology, Adv. Mat., JACS, ACS Nano, Small等著名国际期刊上发表学术论文100余篇,引用次数逾4000次,获得授权发明专利30余项。
邸江涛 男,中科院苏州纳米所研究员。1985年生,2013年7月获中国科学院大学物理化学博士学位。2013年8月至2016年5月于美国德克萨斯州大学达拉斯分校任研究助理,导师美国工程院院士Ray H. Baughman教授。2016年6月入职中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所,任项目研究员,博士生导师,中国科学院“百人计划”(青年俊才)候选人。多年来一直从事纳米碳材料的可控制备及其应用研究,在碳纳米管有序体可控制备,高性能碳纳米管宏观体干法组装和内部共价键合,纳米碳材料功能器件、驱动器、弹性导体等方向做出重要成果。在Science, Advanced Materials, Small, ACS Nano等国际一流学术期刊上发表论文近20篇。
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