固定式儲(chǔ)能設(shè)施在促進(jìn)清潔能源的有效轉(zhuǎn)化和利用中發(fā)揮著關(guān)鍵作用。在這一領(lǐng)域，鋰離子電池憑借其早期開(kāi)發(fā)的優(yōu)勢(shì)，占據(jù)了市場(chǎng)的主導(dǎo)地位。然而，鋰離子電池面臨著安全隱患（如熱失控）、環(huán)境污染和高昂的成本等一系列挑戰(zhàn)，這些問(wèn)題導(dǎo)致其在大規(guī)模應(yīng)用中出現(xiàn)功能限制和性能瓶頸。為了解決這些問(wèn)題，水性鋅離子電池（ZIBs）作為一種新興的儲(chǔ)能技術(shù)正在受到越來(lái)越多的關(guān)注，具有低成本、安全、簡(jiǎn)化制備及環(huán)?；厥盏奶攸c(diǎn)。在眾多材料中，錳基正極材料因其理論容量高達(dá)~ 300 mAh g-1、成本較低且毒性小而備受青睞。然而，錳基材料在與導(dǎo)電劑界面處會(huì)發(fā)生電荷積累，導(dǎo)致Mn (III)的歧化反應(yīng)生成Mn (IV)和Mn (II)，這種不穩(wěn)定性顯著影響了其循環(huán)穩(wěn)定性。為了解決這一問(wèn)題，加快電荷/電子轉(zhuǎn)移速率至關(guān)重要。通過(guò)復(fù)合高導(dǎo)電性的碳基材料構(gòu)建導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)，可以顯著抑制電解液中Mn2+的溶解。然而，當(dāng)極性錳基材料與非極性碳之間存在物理間隔時(shí)，難以形成高效的離子/電子輸運(yùn)界面。因此，提高錳基材料與碳材料的界面相容性，優(yōu)化離子/電子輸運(yùn)，對(duì)于解決水性鋅離子電池的長(zhǎng)期結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性具有重要意義。 受MOF自下而上合成策略的啟發(fā)，采用MOF衍生法成功合成了非界面阻塞型錳氧化物和非晶態(tài)碳雜化材料（圖1）。該復(fù)合材料可實(shí)現(xiàn)納米局域碳包覆，顯著提高了錳基材料與碳材料之間的界面相容性，可快速疏導(dǎo)電極反應(yīng)累計(jì)在界面處的電子/離子。在2 A g-1的電流密度下，MOF衍生的Mn2O3/C雜化正極材料展現(xiàn)出了高達(dá)132.6 mAh g-1的比容量，并且在1 A g-1的電流密度下循環(huán)2000次后，仍能保持105 mAh g-1的比容量（圖2）。此外，研究團(tuán)隊(duì)還通過(guò)非原位XRD和原位拉曼測(cè)試技術(shù)，深入探討了MOF衍生的雜化材料作為水系鋅離子電池正極的反應(yīng)機(jī)理（圖3）。同時(shí)，軟包電池的成功組裝進(jìn)一步證明了該材料的實(shí)際應(yīng)用潛力（圖4）。本研究為錳基材料的高效電子離子傳遞提供了創(chuàng)新策略，為ZIBs電極的大規(guī)模應(yīng)用開(kāi)辟了新的技術(shù)途徑。
圖1 (a) Mn2O3/C制備示意圖，(b) SEM，(c) TEM，(d) HRTEM，(e) XRD，(f) FT-IR，(g-h) XPS光譜，(i-j) 氮吸附測(cè)試。 圖2 (a) Mn2O3/C的CV曲線(xiàn)，(b) b值擬合曲線(xiàn)，(c) 容量的貢獻(xiàn)率，(d) GCD曲線(xiàn)，(e) 循環(huán)性能，(f) 倍率性能，(g) Nyquist，(h) 充放電狀態(tài)下的GITT曲線(xiàn)及相應(yīng)的離子擴(kuò)散系數(shù)。 圖3 (a-b) Mn2O3/C非原位XRD分析，(c) 原位拉曼分析。 圖4 (a-b) 水系鋅離子軟包電池組成示意圖。(c) 500 mA cm-2循環(huán)100次的可循環(huán)性。(d-e) 水系鋅離子軟包電池模型。(f) 水系鋅離子軟包電池開(kāi)路電壓(OCV)展示。 論文信息 Achieving Non-Interfacial Blocking Zinc Ion Transport Based on MOF Derived Manganese Oxides and Amorphous Carbon Hybrid Materials Siyu Jiang, Wenjuan Han, Luan Fang, Shu Zhang, Xiangxin Xue, Ping Nie, Bo Liu, Cuimei Zhao, Ming Lu, Limin Chang Chemistry – A European Journal DOI: 10.1002/chem.202401802
