Small:氢键屏蔽效应实现高性能水系锌离子电池

水系锌离子电池由于其绿色环保,安全可靠,价格低廉等优势在大规模储能系统中具有广阔的应用前景。目前对水系锌离子电池正极材料的研究层出不穷,主要包括钒基材料,锰基材料,普鲁士蓝类及有机材料等。其中,锰基材料具有较高的比容量和氧化还原电位,是一种潜在的正极材料候选对象。然而,锰基材料充放电过程中结构不稳定性,容易导致电池的循环性能不佳,引入客体离子是改善锰基材料的稳定性一种有效手段。目前报道的方法主要是在锰基材料的层间或孔道中引入单价或多价金属阳离子。但是,一方面,金属阳离子的高摩尔质量降低了材料的理论比容量;另一方面,金属阳离子在循环过程中可能会从结构中脱出,从而失去支柱作用。另外,由于二价锌离子和宿主氧原子的强静电作用,锰基材料也面临着倍率性能差的问题。引入金属客体离子仍存在一些不足。

基于以上问题,南开大学陶占良教授团队采用非金属离子NH4+ 作为客体离子引入到α-MnO2的孔道中制备出(NH4)Mn8O16 (NHMO)。和金属离子相比,NH4+ 具有小的摩尔质量和水合半径。更重要的是NH4+ 具有四个氢键供体氢原子,可以和宿主氧原子形成氢键,从而稳定α-MnO2的孔道结构。另外,通过形成氢键,宿主O上的电子云密度被削弱,降低了O原子与锌离子的静电作用,从而促进了锌离子的扩散。因此,向α-MnO2中引入NH4+ 不仅能够提升其结构稳定性,也能够提升其倍率性能。

组装的Zn//NHMO电池表现出优异的倍率性能和长循环性能。在6000 mA g-1 的电流密度下其放电容量为109 mA h g-1;循环10000次容量保持率为99.5%。

图(a)CV曲线;(b)恒充放电曲线;(c)倍率性能;(d-e)循环稳定性。

论文信息:

Hydrogen Bond Shielding effect for High-Performance Aqueous Zinc Ion Batteries

Tianjiang Sun, Shibing Zheng, Qingshun Nian, Zhanliang Tao*

Small

DOI: 10.1002/smll.202107115

原文链接:https://doi.org/10.1002/smll.202107115