Small Methods:3D CNTs导电网络促进MnO2正极Zn2+存储动力学实现高倍率柔性Zn-MnO2电池

受益于低成本、安全环保、高电压和高容量等优点,柔性可充电 Zn-MnO2 电池在未来可穿戴和植入式医疗设备中极具应用前景。然而,由MnO2低电导率(10−5~10−6 S cm−1)引起的迟缓的电化学反应动力学严重降低了活性物质的利用率,从而导致较低的实际容量和较差的倍率性能,阻碍了其在大功率系统中的应用。因此,如何设计开发具有高容量,且可在大电流充放电中保持优异性能的MnO2正极材料成为研究的关键。

近日,中山大学化学学院卢锡洪教授课题组与浙江大学材料科学与工程学院夏新辉研究员课题组合作,利用柔性三维(3D)碳纳米管(CNTs)导电网络作为优良的电子和电荷传输基底,成功实现了一种高容量、高倍率的MnO2正极材料。其中碳布负载的3D CNTs网络可提供快速离子和电子传输通道,通过电沉积法原位生长薄层MnO2,进一步提升活性材料的利用率及荷质传输速率,成功解决MnO2正极缓慢的 Zn2+存储反应动力学。在聚吡咯(PEDOT)导电高分子层的保护下,CNTs/MnO2/PEDOT复合正极材料(表示为 CMOP)在1.1 A g−1的电流密度下实现高达306.1 mA h g−1的放电容量。即使电流提升10倍,在10.8 A g−1的大电流密度下,依然保持176.8 mA h g−1 的容量,显示出较强的倍率性能。而且循环2000次后,其电池仍有81.3 % 的容量保持率,材料的形貌结构未发生明显坍塌。通过比较,该电极材料的倍率性能明显高于许多已报道的锰基及其他锌离子电池正极材料的倍率性能。此外,组装的准固态Zn-MnO2电池具有很好的柔韧性,可在不同的变形状态下保持电化学性能的稳定。

研究者们相信,此项研究将会为未来的柔性电子储能器件的发展带来崭新的思路,也为科学家们寻找高倍率材料提供了一种研究方法。相关研究成果以“Three-dimensional CNTs Networks Enable MnO2 Cathode with High Capacity and Superior Rate Capability for Flexible Rechargeable Zn-MnO2 Batteries”为题在线发表于Small Methods。