圖1 論文內(nèi)封面圖
 

     湖北大學(xué)物電學(xué)院（微電子學(xué)院）王浩教授團(tuán)隊(duì)在鋅離子電池研究領(lǐng)域取得進(jìn)展，研究成果“Valence Engineering via In-situ Carbon Reduction on Octahedron Sites Mn3O4 for Ultra-Long Cycle Life Aqueous Zn-Ion Battery”（《原位碳還原實(shí)現(xiàn)八面體Mn3O4價(jià)態(tài)工程的超長(zhǎng)壽命水系鋅離子電池》）10月13日以內(nèi)封面論文形式發(fā)表在國(guó)際能源材料類頂級(jí)期刊Advanced Energy Materials（IF：25.245）。此前，論文在線發(fā)表后，得到Materials Views China、中國(guó)功能材料網(wǎng)、能源谷等學(xué)術(shù)媒體轉(zhuǎn)載報(bào)道。碩士生檀秋陽(yáng)為第一作者，王浩教授和萬(wàn)厚釗副教授、華中科技大學(xué)繆靈副教授、德國(guó)馬普固體研究所王毅高級(jí)研究員為共同通訊作者，湖北大學(xué)為第一單位和第一通訊單位。

 

　　隨著日益嚴(yán)重的能源危機(jī)，高效儲(chǔ)能裝置的研發(fā)受到了廣泛關(guān)注。由于高比能量，鋰離子電池在當(dāng)前電池市場(chǎng)中得到廣泛使用。但是，地球上有限的鋰資源使得含鋰材料變得昂貴，并且鋰離子電池存在安全問(wèn)題。水系可充電鋅離子電池具有高比容量、高安全性和低成本性，這使得其具有廣闊的應(yīng)用前景。其中，高性能陰極材料的開(kāi)發(fā)是研究的焦點(diǎn)之一。由于錳基氧化物在地球上的儲(chǔ)量豐富，無(wú)毒無(wú)污染和高放電電壓，引起了研究人員的極大興趣。然而，在鋅離子嵌入過(guò)程中由于姜泰勒效應(yīng)帶來(lái)的歧化現(xiàn)象會(huì)導(dǎo)致Mn2+溶解，極大削減了電池的循環(huán)壽命。

圖2 體相氧缺陷Mn3O4@C納米棒陣列的形成機(jī)理

 

　　為了解決這一問(wèn)題，王浩教授團(tuán)隊(duì)通過(guò)高效的價(jià)態(tài)工程提高錳氧化物陰極的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，進(jìn)而提升材料的循環(huán)壽命。制備過(guò)程中采用錳基金屬有機(jī)骨架作為前驅(qū)體，進(jìn)行原位碳化獲得體相氧缺陷Mn3O4@C納米棒陣列。由體相氧缺陷調(diào)控電子結(jié)構(gòu)引發(fā)的價(jià)態(tài)工程，可以改變[MnO6]八面體晶體場(chǎng)構(gòu)型進(jìn)而抑制Mn2+的溶解。第一性原理計(jì)算進(jìn)一步表明，體相氧缺陷可以提高材料的固有電導(dǎo)率，并為Zn2+和H+的插入提供更多的活性位點(diǎn)。由體相氧缺陷Mn3O4@C納米棒陣列組裝而成的水系鋅離子電池表現(xiàn)出超長(zhǎng)的循環(huán)壽命，在5 A g-1的電流密度下經(jīng)過(guò)12000次循環(huán)后仍達(dá)到84.1 mAh g-1的比容量（高達(dá)初始容量的95.7%）。

圖3 體相氧缺陷Mn3O4@C納米棒陣列的電子能量損失譜、電子結(jié)構(gòu)及柔性準(zhǔn)固態(tài)鋅離子電池的應(yīng)用

 

       該研究成果為實(shí)現(xiàn)水系鋅離子電池超長(zhǎng)循環(huán)壽命提供了有效途徑，為其商業(yè)化應(yīng)用奠定了實(shí)驗(yàn)與理論基礎(chǔ)。

 

       全文鏈接：https://doi.org/10.1002/aenm.202001050