宁波大学苗鹤教授CEJ：层状二氧化锰低温演化锰基尖晶石策略及其在柔性固态锌空气电池中的应用研究

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文章信息

层状二氧化锰低温演化锰基尖晶石策略及其在柔性固态锌空气电池中的应用研究

第一作者：陈斌

通讯作者：苗鹤

单      位：宁波大学

研究背景

柔性锌空气电池具有优异安全性和稳定性，是可穿戴电子设备的理想选择。然而，缺乏高性能的阴极氧催化剂是限制柔性锌空气电池发展的一个主要因素。锰基尖晶石（MMn2O4）以其低成本、高丰度、无毒性、高双功能氧催化活性等优点而备受关注。然而，锰基尖晶石一般需在高温下才能成相，导致材料的粒径大、比表面积小、活性中心不足，不利于发挥其氧催化活性。另一方面，当柔性锌空气电池应用于可穿戴设备时，不可避免地会遇到各种变形（拉伸、弯曲和扭曲）和恶劣的工作环境（高温或低温），对电解质的要求更高。

文章简介

近日，来自宁波大学的苗鹤教授在国际知名期刊Chemical Engineering Journal上发表题为“Mn-based spinels evolved from layered manganese dioxides at mild temperature for the robust flexible quasi-solid-state zinc-air batteries”的研究成果。

首次提出了一种在温和条件下由层状水钠锰矿型合成锰基尖晶石的策略。所制备锰基尖晶石（CMN-321H）的双功能氧催化活性和稳定性超过了大多数同类材料。同时，作者在聚丙烯酰胺凝胶电解质中引入了纤维素，制备了新型的固态电解质PAMC，具有较高的离子导电性、保水性和优异的拉伸性能。将CMN-321H与PAMC相结合，制备的柔性锌空气电池具有出色的充放电性能以及环境耐受性。

本文要点

要点一：通过温和方法合成了锰基尖晶石双功能氧催化剂

本文首次报道了一种可放大的、温和通用方法，基于层状氧化锰合成了八面体状的MnCo2O4纳米颗粒。通过对材料的制备条件和组分进行优化后，催化剂的双功能氧催化性能超过多数已报道的尖晶石基催化剂。

Fig. 1. (a) Schematic illustration of the preparation of the sample. (b) XRD patterns of CMN-120H and CMN-231H. (c) SEM images of the CMN-231H. (d) TEM image and the corresponding elemental mapping images of CMN-231H. (e) Comparison of the oxygen bifunctional catalytic activities of CMN-231H in this work with the reported spinel oxygen electrocatalysts

要点二：开发了机械性能优异的电解质

论文将纤维素引入聚丙烯酰胺凝胶电解质中，并首次将其应用于固态锌空气电池中。纤维素的引入显著提高了电解质的拉伸性能，其可以轻易地拉伸到700%。

Fig. 2. (a)Relaxed (left) and elongated (right) state of the PAMC gel electrolyte.

要点三：研制了性能优异且鲁棒性好的柔性锌空气电池

Fig. 3. (a) Schematic illustration of the assembly of the all-solid-state ZAB. (b) I-V and I-P curves, (c) charge-discharge curves and (d) charge-discharge cycling curves under 5 mA cm-2 of all-solid-state ZABs based on the different gel electrolytes and oxygen catalysts. (e) As-prepared all-solid-state ZAB working under different situations: bending, roasting and ice freezing.

将基于PAMC的碱性凝胶电解质和CMN-231H氧催化剂组装成柔性锌空气电池，电池表现出较高的功率、出色的充放电可逆性和稳定性。更值得注意的是，组装的柔性电池在弯折、烘烤（温度范围90~120℃）和-20℃等条件下，仍能够稳定的工作。

原文链接
https://doi.org/10.1016/j.cej.2021.129179

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