Chem. Eur. J. :MOF衍生非界面阻断Mn₂O₃/C复合材料用于构筑锌离子电池正极

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固定式储能设施在促进清洁能源的有效转化和利用中发挥着关键作用。在这一领域,锂离子电池凭借其早期开发的优势,占据了市场的主导地位。然而,锂离子电池面临着安全隐患(如热失控)、环境污染和高昂的成本等一系列挑战,这些问题导致其在大规模应用中出现功能限制和性能瓶颈。为了解决这些问题,水性锌离子电池(ZIBs)作为一种新兴的储能技术正在受到越来越多的关注,具有低成本、安全、简化制备及环保回收的特点。在众多材料中,锰基正极材料因其理论容量高达~ 300 mAh g-1、成本较低且毒性小而备受青睐。然而,锰基材料在与导电剂界面处会发生电荷积累,导致Mn (III)的歧化反应生成Mn (IV)和Mn (II),这种不稳定性显著影响了其循环稳定性。为了解决这一问题,加快电荷/电子转移速率至关重要。通过复合高导电性的碳基材料构建导电网络,可以显著抑制电解液中Mn2+的溶解。然而,当极性锰基材料与非极性碳之间存在物理间隔时,难以形成高效的离子/电子输运界面。因此,提高锰基材料与碳材料的界面相容性,优化离子/电子输运,对于解决水性锌离子电池的长期结构稳定性具有重要意义。


受MOF自下而上合成策略的启发,采用MOF衍生法成功合成了非界面阻塞型锰氧化物和非晶态碳杂化材料(图1)。该复合材料可实现纳米局域碳包覆,显著提高了锰基材料与碳材料之间的界面相容性,可快速疏导电极反应累计在界面处的电子/离子。在2 A g-1的电流密度下,MOF衍生的Mn2O3/C杂化正极材料展现出了高达132.6 mAh g-1的比容量,并且在1 A g-1的电流密度下循环2000次后,仍能保持105 mAh g-1的比容量(图2)。此外,研究团队还通过非原位XRD和原位拉曼测试技术,深入探讨了MOF衍生的杂化材料作为水系锌离子电池正极的反应机理(图3)。同时,软包电池的成功组装进一步证明了该材料的实际应用潜力(图4)。本研究为锰基材料的高效电子离子传递提供了创新策略,为ZIBs电极的大规模应用开辟了新的技术途径。

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图1 (a) Mn2O3/C制备示意图,(b) SEM,(c) TEM,(d) HRTEM,(e) XRD,(f) FT-IR,(g-h) XPS光谱,(i-j) 氮吸附测试。

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图2 (a) Mn2O3/C的CV曲线,(b) b值拟合曲线,(c) 容量的贡献率,(d) GCD曲线,(e) 循环性能,(f) 倍率性能,(g) Nyquist,(h) 充放电状态下的GITT曲线及相应的离子扩散系数。

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图3 (a-b) Mn2O3/C非原位XRD分析,(c) 原位拉曼分析。

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图4 (a-b) 水系锌离子软包电池组成示意图。(c) 500 mA cm-2循环100次的可循环性。(d-e) 水系锌离子软包电池模型。(f) 水系锌离子软包电池开路电压(OCV)展示。

文信息

Achieving Non-Interfacial Blocking Zinc Ion Transport Based on MOF Derived Manganese Oxides and Amorphous Carbon Hybrid Materials

Siyu Jiang, Wenjuan Han, Luan Fang, Shu Zhang, Xiangxin Xue, Ping Nie, Bo Liu, Cuimei Zhao, Ming Lu, Limin Chang


Chemistry – A European Journal

DOI: 10.1002/chem.202401802

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