近年來，人們對網格化電化學儲能的興趣日益濃厚，其中鋅離子電池(AZIBs)尤其受到關注。在AZIBs的各種正極材料中，錳氧化物因其高能量密度和低成本而日益突出。但反應動力學遲緩，循環(huán)穩(wěn)定性差，影響了其實際應用。在此，我們證明了缺陷工程和界面優(yōu)化的聯(lián)合使用可以同時提高MnO
2陰極的速率能力和循環(huán)穩(wěn)定性。合成了具有豐富氧空位(V
O)的β-MnO
2和石墨烯氧化物(GO)包裹體，其中本體中的VO加速充放電動力學，而表面的GO抑制Mn的溶解。該電極在電流速率為4C的情況下，即使在2000次循環(huán)后，仍具有~ 129.6 mAh g
-1的持續(xù)可逆容量，優(yōu)于目前最先進的MnO
2基陰極。氧化石墨烯涂層與表面VO直接相互作用以及β-MnO
2在循環(huán)過程中結構演化的規(guī)律可以解釋β-MnO
2優(yōu)異的性能。本研究的組合設計方案為AZIBs制備高速率、長壽命陰極提供了一條實用的途徑。
圖1 β- MnO
2和β-MnO
2@GO的XRD譜圖。β-MnO
2@ GO的透射電鏡、HRTEM形貌和相關EDS圖(b和c中的插入物分別顯示了GO層的存在和衍射圖)。e β- MnO
2和β- MnO
2@GO的紅外光譜比較。f C 1s和g O 1s的XPS峰。h β- MnO
2和β- MnO
2@GO在含氧氣氛下的TGA曲線
圖2 β-MnO
2和β-MnO
2@GO電極在第二循環(huán)(0.1C電流)的速率性能和恒流充放電(GCD)曲線對比。c β-MnO2@GO電極在不同速率電流下的GCD曲線。β-MnO
2和β-MnO
2@GO電極在e1c和f4c速率電流下的循環(huán)性能
圖3 a在0.1C下的恒電流充放電曲線 b, c β-MnO
2@GO電極在原始點#H和#J處的XRD譜圖和SEM形貌。d-g TEM和HRTEM圖像的β-MnO
2@GO完全放電狀態(tài)在第一個周期。h, i對選定點的O 1s和Zn 2p譜進行XPS分析。以c為單位的比例尺為~ 2 μm
圖4.含和不含V
O時β-MnO
2的態(tài)電子密度。能量參照費米能級。b以β-MnO
2和β-MnO
2@GO為活性材料電極的電阻抗譜。c, d GITT曲線和計算的擴散系數
圖5 a DFT計算了氧化石墨烯在β-MnO
2(110)、(101)、(100)和(001)表面V
O上的結合構型和吸附能(Ea)。b β-MnO
2電極在1C電流下循環(huán)50、100、150和200次后的原始狀態(tài)和帶電狀態(tài)的XRD圖。c, d β-MnO2電極中活性材料在1C電流下循環(huán)200次后的TEM形貌，顯示結構完整性的下降，以及相應的HRTEM圖像(插入ZnMn
2O
4尖晶石的衍射圖)。e在1C電流下循環(huán)50、100、150和200次后，β-MnO
2@GO電極的原始狀態(tài)和帶電狀態(tài)的XRD圖。f, g β- MnO
2@ GO電極中活性材料在1C電流下循環(huán)200次后的TEM形貌，顯示維持良好的納米棒形貌，以及相應的HRTEM圖像(鑲嵌，衍射環(huán)顯示ZnxMn
2O
4納米晶尖晶石的(211)和(101)面)
北京大學深圳研究院Feng Pan,Qinghe Zhao和Shunning Li等人于2021年發(fā)表在Nano-Micro Letters（https://link.springer.com/article/10.1007%2Fs40820-021-00691-7）上。原文：Oxygen?Deficient β?MnO
2@Graphene Oxide Cathode for High?Rate and Long?Life Aqueous Zinc Ion Batteries。
轉自《石墨烯雜志》公眾號
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