新材料學院發(fā)現(xiàn)具有H+/Zn2+協(xié)同嵌入機制的高性能安全的水系二次電池
? ? 新材料學院2019年10月21日訊，我院潘鋒教授團隊在研究工作中取得關鍵進展。
? ? 中國可再生能源非常豐富，包括風能、太陽能、地熱能等，這些新能源產生的電能需要儲存起來，大規(guī)模儲能電池未來在中國具有非常廣闊的發(fā)展空間，此外大規(guī)模使用電動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，是未來大規(guī)模儲能電池和電動車動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、庫倫效率低和析氫副反應嚴重的一系列問題，因此發(fā)展具有優(yōu)異可充放性能的中微酸性體系Zn-MnO2電池是當前科研界和產業(yè)界共同關心的問題。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MnO2正極做了非常多的研究工作，包括調控晶體結構、生長方式、調控電解液等。其中還有的關鍵科學問題是放電過程中Mn2+溶出、H+/Zn2+嵌入/脫出引起的相轉變、層狀結構坍塌、電化學惰性副產物生成等均會造成MnO2正極材料容量的快速衰減，這極大的制約了Zn/MnO2電池的產業(yè)化進程。在諸多的容量衰減原因之中，H+/Zn2+嵌入/脫出引起的相轉變過程被認為是MnO2材料衰減的最本質原因。如能通過晶體結構及形貌的調控設計，得到一種在H+/Zn2+嵌入/脫出中能保持極好結構穩(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程中協(xié)同的高容量的充放電
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? ? 新材料學院潘鋒教授團隊近期調控設計并得到了一種具有特殊納米片層結構的錳氧化物，并首次提出了錳氧化物H+/Zn2+協(xié)同嵌入的機制，相關成果以“Unravelling H+/Zn2+ Synergistic Intercalation in a Novel Phase of Manganese Oxide for High-Performance Aqueous Rechargeable Battery”為題發(fā)表在國際著名科技期刊Small（doi.org/10.1002/smll.201904545.，IF 10.857）上。該研究采用簡單的水熱反應，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，該特殊結構極大的降低了離子擴散距離，促進了H+/Zn2+脫出/嵌入（充放電）的反應動力學。其次，該研究采用多種實驗表征方法，結合第一性原理計算，首次提出并驗證了H+/Zn2+在MON充放電過程中協(xié)同的嵌入/脫出的觀點。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。此前新材料學院潘鋒教授團隊針對MnO2制備過程晶體生長機制和相結構的演化、充放電機制和相應衰減機理進行了詳細研究，相關成果以“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? 制備過程晶體生長機制和相結構的演化
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? ? 研究發(fā)現(xiàn)了只有熱力學穩(wěn)定的MnO2相同時具備高容量和高循環(huán)穩(wěn)定性，這點對于其他的過渡族金屬氧化物正極也有一定的普適性，如Co3O4、NiOOH等。同時，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，且首次闡述清楚了MnO2正極材料容量衰減的機制。該研究對MnO2正極材料的產業(yè)化制備具有積極的意義。
? ? 以上兩項工作都是在潘鋒教授指導下，由團隊成員趙慶賀（特聘研究員）、陳鑫（18級碩士生）和劉明薔（17級碩士生）共同完成。該工作得到了國家材料基因工程重點研發(fā)計劃、廣東省重點實驗室、深圳市科技創(chuàng)新委員會等項目的大力支持。
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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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