圖1 論文內封面圖
 

     湖北大學物電學院（微電子學院）王浩教授團隊在鋅離子電池研究領域取得進展，研究成果“Valence Engineering via In-situ Carbon Reduction on Octahedron Sites Mn3O4 for Ultra-Long Cycle Life Aqueous Zn-Ion Battery”（《原位碳還原實現八面體Mn3O4價態工程的超長壽命水系鋅離子電池》）10月13日以內封面論文形式發表在國際能源材料類頂級期刊Advanced Energy Materials（IF：25.245）。此前，論文在線發表后，得到Materials Views China、中國功能材料網、能源谷等學術媒體轉載報道。碩士生檀秋陽為第一作者，王浩教授和萬厚釗副教授、華中科技大學繆靈副教授、德國馬普固體研究所王毅高級研究員為共同通訊作者，湖北大學為第一單位和第一通訊單位。

 

　　隨著日益嚴重的能源危機，高效儲能裝置的研發受到了廣泛關注。由于高比能量，鋰離子電池在當前電池市場中得到廣泛使用。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用前景。其中，高性能陰極材料的開發是研究的焦點之一。由于錳基氧化物在地球上的儲量豐富，無毒無污染和高放電電壓，引起了研究人員的極大興趣。然而，在鋅離子嵌入過程中由于姜泰勒效應帶來的歧化現象會導致Mn2+溶解，極大削減了電池的循環壽命。

圖2 體相氧缺陷Mn3O4@C納米棒陣列的形成機理

 

　　為了解決這一問題，王浩教授團隊通過高效的價態工程提高錳氧化物陰極的結構穩定性，進而提升材料的循環壽命。制備過程中采用錳基金屬有機骨架作為前驅體，進行原位碳化獲得體相氧缺陷Mn3O4@C納米棒陣列。由體相氧缺陷調控電子結構引發的價態工程，可以改變[MnO6]八面體晶體場構型進而抑制Mn2+的溶解。第一性原理計算進一步表明，體相氧缺陷可以提高材料的固有電導率，并為Zn2+和H+的插入提供更多的活性位點。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出超長的循環壽命，在5 A g-1的電流密度下經過12000次循環后仍達到84.1 mAh g-1的比容量（高達初始容量的95.7%）。

圖3 體相氧缺陷Mn3O4@C納米棒陣列的電子能量損失譜、電子結構及柔性準固態鋅離子電池的應用

 

       該研究成果為實現水系鋅離子電池超長循環壽命提供了有效途徑，為其商業化應用奠定了實驗與理論基礎。

 

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