湖北大学王浩教授团队在锌离子电池研究领域获进展

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近期，湖北大学物电学院（微电子学院）王浩教授团队在锌离子电池研究领域取得进展，研究成果“Valence Engineering via In-situ Carbon Reduction on Octahedron Sites Mn₃O₄ for Ultra-Long Cycle Life Aqueous Zn-Ion Battery”（《原位碳还原实现八面体Mn3O4价态工程的超长寿命水系锌离子电池》）以内封面论文形式发表在国际能源材料类顶级期刊Advanced Energy Materials（IF：25.245）。此前，论文在线发表后，得到Materials Views China、中国功能材料网、能源谷等学术媒体转载报道。硕士生檀秋阳为第一作者，王浩教授和万厚钊副教授、华中科技大学缪灵副教授、德国马普固体研究所王毅高级研究员为共同通讯作者，湖北大学为第一单位和第一通讯单位。

随着日益严重的能源危机，高效储能装置的研发受到了广泛关注。由于高比能量，锂离子电池在当前电池市场中得到广泛使用。但是，地球上有限的锂资源使得含锂材料变得昂贵，并且锂离子电池存在安全问题。水系可充电锌离子电池具有高比容量、高安全性和低成本性，这使得其具有广阔的应用前景。其中，高性能阴极材料的开发是研究的焦点之一。由于锰基氧化物在地球上的储量丰富，无毒无污染和高放电电压，引起了研究人员的极大兴趣。然而，在锌离子嵌入过程中由于姜泰勒效应带来的歧化现象会导致Mn²⁺溶解，极大削减了电池的循环寿命。

图2 体相氧缺陷Mn3O4@C纳米棒阵列的形成机理

为了解决这一问题，王浩教授团队通过高效的价态工程提高锰氧化物阴极的结构稳定性，进而提升材料的循环寿命。制备过程中采用锰基金属有机骨架作为前驱体，进行原位碳化获得体相氧缺陷Mn₃O₄@C纳米棒阵列。由体相氧缺陷调控电子结构引发的价态工程，可以改变[MnO₆]八面体晶体场构型进而抑制Mn²⁺的溶解。第一性原理计算进一步表明，体相氧缺陷可以提高材料的固有电导率，并为Zn²⁺和H⁺的插入提供更多的活性位点。由体相氧缺陷Mn₃O₄@C纳米棒阵列组装而成的水系锌离子电池表现出超长的循环寿命，在5 A g^-1的电流密度下经过12000次循环后仍达到84.1 mAh g^-1的比容量（高达初始容量的95.7%）。

图3 体相氧缺陷Mn3O4@C纳米棒阵列的电子能量损失谱、电子结构及柔性准固态锌离子电池的应用该研究成果为实现水系锌离子电池超长循环寿命提供了有效途径，为其商业化应用奠定了实验与理论基础。

全文链接：

https://doi.org/10.1002/aenm.202001050

来源：湖北大学 

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