实验室在锰氧化物复合材料制备及其储锌应用方面取得进展

实验室在锰氧化物复合材料制备及其储锌应用方面取得进展

随着化石能源的消耗，环境污染和能源危机引起人们的广泛关注，新型清洁高效储能装置成为研究热点。其中，水系锌离子电池成本较低，且金属锌资源较为丰富，环境友好，电化学性能优异，在新一代储能电池中具有良好的发展前景。正极材料是锌离子电池主要组成之一，是Zn²⁺嵌入脱出主要的载体，对电池性能具有主要影响。正极材料目前主要分为锰基材料、钒基材料和普鲁士蓝材料等，其中锰元素电压较高，储量丰富，是研究热点。锰氧化物具有多种化学价态和不同的晶体类型，已被广泛研究。但锰氧化物导电性较差，且锌离子的反复嵌入和脱出容易引起结构坍塌，金属锰离子在反应过程中会发生溶解，使得锌离子电池长循环和倍率性能较差。为解决这些问题，研究者们通过元素的掺杂，形貌调控，引入其他复合材料等方法对锰氧化物进行相关改性。

近日，高效储能材料与技术团队博士研究生陈晓文同隋艳伟教授在锌离子电池正极材料研究中取得一些进展。在这项研究中，在石墨烯上原位生长2%Sn-MnO₂，通过Sn掺杂修饰锰氧化物的策略，为离子存储提供了活性位点，石墨烯掺杂增强导电性。2%Sn-MnO_x/rGO阴极材料组装的锌离子电池相应的具有较高的比容量和寿命，在0.1 A g^-1时最高比容量为352.3 mAh g^-1，倍率性能在1.0 A g^-1时为211.3 mAh g^-1，循环稳定性在1.0 A g^-1下循环1000次后容量仍有108.5 mAh g^-1，具有明显优于其他未改性样品的电化学性能。并结合ex-XRD、ex-XPS和GITT讨论了储能机理。此外，2%Sn-MnO_x/rGO组装的准固态电池展示了一定便携和灵活设备的潜力。

图1

2%Sn-MnO_x/rGO纳米棒的合成示意图和相关形貌表征图像。

图2

2%Sn-MnO_x/rGO在不同电流密度下的恒流充放电（GCD）曲线和循环性能。

图3

基于2%Sn-MnO_x/rGO的柔性准固态ZIB的应用和电化学性能。

    该研究成果已在国际期刊Journal of Power Sources（IF:8.1）上发表，题目为“Synergistic effect of Sn doped manganese oxide and conductive reduced graphene oxide for zinc ion battery”，实验室研究生陈晓文为论文第一作者，实验室隋艳伟教授为通讯作者，中国矿业大学为第一单位。该研究得到中央高校基本科研业务费专项资金(No. 2021ZDPY0221)的资助。