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复旦大学夏永姚、王永刚教授研究团队在水系锌-锰电池研究取得新进展
发布时间:2018-09-17 

       近日,复旦大学夏永姚,王永刚教授团队在水系锌-锰电池研究方面取得新进展,相关工作“Polyaniline-intercalated manganese dioxide nanolayers as a high-performance cathode material for an aqueous zinc-ion battery”在线发表在《自然 通讯》 (Nature Commun., 2018, 9: 2906)。

       Li+,Na+水系电池由于其安全性和环境友好性引起了广泛的关注,然而目前所报道的水系锂离子电池和钠离子电池正极材料的比容量都较低(<150mAh/g)。近年来水系锌离子电池由于其高比容量,绿色安全等特点吸引了研究者的广泛关注。MnO2作为常用的正极材料,具有高理论容量(308mAh/g)、低成本、低毒性等优点。但无论是α,β,γ还是δ晶型的MnO2,其在循环过程中都会发生结构变化,转变为有水分子嵌入的层状氧化锰相。相变产生大的体积变化,造成容量衰减;其次随着深度充放电过程中水合阳离子嵌入也会造成结构坍塌,进一步致使容量衰减。针对这一问题,该研究团队通过界面反应法,将聚苯胺(PANI)作为客体材料插层于主体材料纳米层状MnO2,扩展了MnO2储锌通道的同时有效强化了扩展后的层结构,从而有效的提升锌离子存储性能和材料的结构稳定性。以该材料为正极的锌离子电池具有优异的倍率性能和循环寿命。尤其是在活性材料利用率高达90%(~280mAh/g)时仍能保持很好的循环稳定性。

 

       此外,研究人员详细阐明了复合材料中Zn2+/H+的共嵌机理:第一个放电平台主要为H+的嵌入;随着电极周围H+浓度降低,Zn2+嵌入主导电化学反应,产生第二个放电平台;与此同时,持续降低的H+浓度使得片状碱式硫酸锌在电极表面生成。反之在充电时, H+的脱出会溶解所生成的碱式硫酸锌。该高度可逆的过程能够缓冲电解液在充放电过程中pH值的变化,有益于提高循环稳定性能。

       该论文第一作者为复旦大学博士后黄健航,通讯作者为复旦大学王永刚教授。该项目得到了国家重点研发计划和国家自然科学基金委的资助。

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