团队在富氧空位掺钴MnO2纳米棒的合成及其储锌应用方面取得进展

随着时代的发展和进步，新型储能设备受到人们的广泛关注。锌离子电池（ZIBs）制备过程简单，电极材料成本低，是近年来研究热点。但是锌离子电池循环过程中容量下降较快，正极材料对其有重要的作用。正极材料的种类和性质对电池的能量密度直接相关。常用的正极材料主要分为钒基、锰基和普鲁士蓝类似物等。锰矿资源丰富、环境友好，锰基氧化物是常用的电极材料。其中MnO₂具有ɑ-MnO₂，β-MnO₂，δ-MnO₂，γ-MnO₂等不同的晶型。其中，ɑ-MnO₂是目前研究广泛的MnO₂正极材料。但MnO₂导电性较差，且充放电过程中，材料常常出现溶解和结构坍塌等不可逆的变化，导致容量衰减。通过纳米结构的设计或与其他导电材料复合，可以进一步提高锰基氧化物的导电性和结构稳定性，从而改善锌离子电池的电化学性能。

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，通过缺陷工程和离子掺杂策略，制备了钴掺杂和氧空位耦合的MnO₂纳米棒(V_o-CMO)，作为可充电ZIBs的正极材料。氧空位作为活性位点，提供更多的反应位置，从而增加电化学活性，提高材料的比容量。钴掺杂一方面可以改变材料的费米能级，促进载流子的产生和传输，从而改善电荷转移速率，提高材料的电导率；另一方面可以改善锌离子的扩散动力学，进而提高材料的容量和循环稳定性。V_o-CMO具有优异的Zn²⁺存储能力(在0.1 A·g⁻¹下可存储295.6 mAh·g⁻¹)、良好的倍率性能(在1 A·g⁻¹下比容量为96.7 mAh·g⁻¹)。通过恒流间歇滴定技术和非原位实验验证了V_o-CMO正极材料反应是H⁺/Zn²⁺共嵌入机制。此外，V_o-CMO材料组装了柔性准固态ZIB。金属钴掺杂和氧空位的协同作用可以为开发水性ZIBs提供新的途径。

图1 V_o-CMO纳米棒的合成示意图和相关形貌表征图像。

图2 V_o-CMO纳米棒在不同电流密度下的循环性能。

图3相关理论模型、差分电荷和态密度分析。

该研究成果已在国际期刊ACS Applied Materials & Interfaces（IF:8.8）上发表，题目为“Oxygen Vacancy-Rich Cobalt-Doped MnO₂ Nanorods for Zn Ion Batteries”，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)和国家自然科学基金（No. 52171227）的资助。