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​王浩教授团队在锌离子电池研究领域获进展

作者:   编辑:鲜文涛    来源:物电学院(微电子学院)  发布时间:2020/10/15

我校物电学院(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》)10月13日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,德甲下注平台为第一单位和第一通讯单位。

图1 论文内封面图

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,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%)。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。

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

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