Small: Zn2+预嵌入稳定隧道结构MnO2用于电池级锌离子混合超级电容器

锌由于其低成本,丰富的来源,高安全性和环境友好特性而吸引了很多研究者的关注,这使其成为最有希望的储能系统候选者之一。其中Zn箔或电沉积的Zn纳米片常都被用锌离子混合超级电容器(Zn-HSC)作负极。然而,如何控制Zn箔的锌枝晶的生长和Zn纳米片的衰退和形成仍然是非常具有挑战性的问题,这会在充电/放电过程中影响负极中剥离/镀覆过程的效率,并对电化学性能产生不利影响,因此无锌负极体系Zn-HSC的研究变得十分必要。对于极具应用潜力的隧道结构α-MnO2正极材料,当嵌入Zn2+中时,该结构容易经历不稳定的转变(即转变为层状结构δ-MnO2)。因此,结构稳定性是Zn-HSCs电极材料设计的关键因素之一。如何获得结构稳定的电池级能量密度Zn-HSC是一个巨大的挑战。

图1. 水系ZnxMnO2//ACC 锌离子混合电容器充放电原理示意图。

新加坡国立大学John Wang教授与武汉理工大学麦立强教授,及周亮教授合作开发了锌离子预嵌入稳定隧道结构MnO2获得电池级能量密度的锌离子混合超级电容器,探究了电极材料Zn2+的存储机理并为真正的电池级Zn-HSC的设计提供指导方案。该工作在柔性碳布上成功合成了具有高度稳定隧道结构的ZnxMnO2纳米线电极材料,获得12 mg cm-2的超高负载量。其中Zn2+的预嵌入可将层状δ-MnO2纳米片转变为隧道结构的高稳定性ZnxMnO2纳米线。将其应用到Zn-HSC中,在ZnxMnO2纳米线正极上的插入/脱嵌以及在活性炭布(ACC)负极上的吸附/脱附均具有出色的电化学性能。出色的机械性能,电池级的能量密度和出色的循环形貌使得Zn-HSC真正达到了电池级的水平。相关成果以“Zn2+ Pre-intercalation Stabilizes the Tunnel Structure of MnO2 Nanowires and Enables Zinc Ion Hybrid Supercapacitor of Battery-level Energy Density and Robust Flexibility”为题发表在Small(DOI:10.1002/smll.202000091)上,陈强与金加伦为文章的共同第一作者。

该工作通过构建新型金属氧化物//碳材料锌离子混合型电容器,实现了电池与超级电容器之间的性能互补,同时达到了高能量密度与高功率密度,为柔性电子器件的应用提供思路。研究团队探究了不同MnO2的晶体结构,提供出一种适合锌离子混合型电容器储能的结构,并通过理论机理研究揭示锌离子混合型电容器中不同电极的储能机理。该应用与理论研究为构建一种新型高效环保的锌离子储能器件指引了新的方向。