Small:多级结构调控实现水系锌离子电池用高性能水钠锰矿复合正极

1. 研究背景:

随着国家双碳目标的推进和深化,风能、太阳能等可再生能源在电力市场中的份额将大幅增加。可再生能源的间歇性和分布式特征对电力系统中“源、网、荷”环节都提出了新的挑战,迫切需要更安全、可靠、廉价的规模化储能技术实现电力系统的平稳运行。二次电池技术具有安装便利、选址灵活、能量密度高等优点,是下一代规模化储能技术的优选方案,其中,中性水系锰基锌离子二次电池由于在安全、可靠、廉价的突出优势而被认为是极具潜力的技术方案。但是,以二氧化锰为代表的锰基正极受制于其自身电导率低和结构稳定性等问题,在能量密度、倍率性能、循环稳定性上表现欠佳。为了提高电导率和结构稳定性,研究者已经分别提出通过晶型调控、异质原子掺杂、纳米结构设计、导电材料复合等优化手段来改善锰基正极结构来提高其储能表现。尽管多种优化策略并用的有益效果是显而易见的,但与多策略综合应用相随的往往是工艺难度和制备成本的几何攀升,目前罕有使用上述两种以上优化策略的研究报道。因此,探索多策略优化综合优化正极结构的高效方法和储能增强机制具有重要的科学研究和工程应用价值。

2. 文章概述:

近日,西安交通大学李磊教授、王国隆副教授团队综合运用晶体工程、纳米工程和复合材料工程方法,通过层状二氧化锰结构调控、钾离子原位预嵌、多孔纳米阵列结构设计和多级导电通路构建的综合策略,提出了一种性能优异的多级结构钾型水钠锰矿-纳米碳水系锌离子电池复合正极材料。该正极材料可以通过“一步水热法”和该团队发明的“石墨烯墨汁复合工艺”简单、高效、批量化制备。研究发现,多种优化策略的协同作用极大改善了锰基正极的反应动力学和结构稳定性,进而促进了储能性能的显著提升。同时,研究者还结合电化学分析和非原位表征也理清了该正极材料的H+/Zn2+共嵌储能机制。

3. 图文导读

图1. 材料制备示意图
图2. 材料光谱学表征
图3. 材料电子显微结构表征
图4. 正极材料的电化学储能性能
图5. 正极材料反应动力学分析
图6. 正极材料内电子传输/离子扩散示意图
图7. 正极材料储能过程的非原位分析
图8. 正极材料储能机制图示

4. 结论

本研究综合运用多种材料优化策略,设计出了一种性能优异的多级结构钾型水钠锰矿-纳米碳水系锌离子电池复合正极材料,并通过一种简便、高效、可批量化的工艺成功制备了所设计的材料。层状晶体结构、钾离子预嵌、多孔纳米片阵列以及多级纳米碳导电通路的协同作用大幅改善了该正极的反应动力学和结构稳定性,进而赋予其高比容量、高倍率性能及超长循环稳定性,同时,H+/Zn2+共嵌为该正极的储能机理,并深刻影响其储能表现。研究成果对发展高性能水性锌离子电池及其规模化储能应用提供了新范例。

5. 致谢:

该项目研究得到了西安交通大学青拔人才计划、国家自然科学基金(52072297 、51907149)、中国博士后基金(2019M653303)等项目的资助和西安交通大学分析测试中心的帮助。谨此感谢。

论文信息:

Hierarchical K-Birnessite-MnO2 Carbon Framework for High-Energy-Density and Durable Aqueous Zinc-Ion Battery

Guolong Wang, Yaling Wang, Boyuan Guan, Jiamei Liu, Yan Zhang, Xiaowei Shi, Cheng Tang, Guohong Li, Yingbo Li, Xiao Wang, Lei Li*

Small

DOI: 10.1002/smll.202104557

原文链接:https://doi.org/10.1002/smll.202104557