研究背景
可充電水系鋅離子電池（ZIBs）因其低成本、高安全性和環境友好性而近來受到廣泛關注。然而，錳基材料總是存在不可逆的結構轉變和緩慢的反應動力學，導致容量低和循環穩定性差，阻礙了它們在大規模儲能中的實際應用。近日，南京工業大學王瑾團隊展示了一種結構調制策略，通過 Cu2+ 嵌入來操縱層狀 δ–MnO2 中的電化學反應機制。在最初幾個循環中可逆的 Zn2+ 嵌入和 H+ 轉化反應之后，在結構調制的 δ-MnO2 電極中發現了有利的 H+/Zn2+ 嵌入-提取機制，通過多種分析手段對其進行了徹底的研究和證明。由此產生的 δ–MnO2 正極提供快速且可逆的 Zn2+ 存儲，在 0.1 A g-1 下具有 398.2 mAh g-1 的高可逆容量和在 5 A g-1 下循環 700 次后容量保持率為 90.1%。進一步的非原位表征證明了結構調制的 δ-MnO2 陰極中快速且可逆的 H+/Zn2+ 存儲。密度泛函理論計算表明，δ-MnO2 中的 Cu2+ 插層通過與氧原子結合的強離子鍵有效地增強了 δ-MnO2 的結構穩定性，并優化了 δ-MnO2 的電子帶隙和離子/電荷態，從而有利于離子嵌入——提取機制。這種結構調制策略通過操縱 ZIBs 電極材料中的電化學反應機制，為開發堅固結構的正極材料提供了新的途徑。其成果以題為 “Manipulating intercalation-extraction mechanisms in structurally modulated δ-MnO2 nanowires for high-performance aqueous zinc-ion batteries” 在國際知名期刊 Chem. Eng. J. 上發表。
研究亮點
?通過 Cu2+ 插層來操縱 δ-MnO2 的插層-萃取機制。
?δ-MnO2 中的 Cu2+ 插層增強了 δ-MnO2 的結構穩定性。
?H+/Zn2+ 嵌入-萃取機制在幾個循環后被確定。
?結構調制的 δ–MnO2 具有快速且可逆的 Zn2+ 存儲特性。
研究結論
總之，本文展示了一種新的電荷存儲機制，在結構調制的 δ–MnO2 正極中通過 Cu2+ 嵌入高性能水系 ZIBs。在最初幾個循環中可逆的 Zn2+ 嵌入和 H+ 轉化反應之后，在結構調制的 δ-MnO2 電極中發現了一種有利的“層狀到層狀”H+/Zn2+ 嵌入-提取機制，通過多種分析手段對其進行了深入研究和證明。這種結構調制的 δ-MnO2 正極具有快速且可逆的 Zn2+ 存儲，在 0.1 A g-1 下表現出 398.2 mAh g-1 的高可逆容量和在 5 A g-1 下循環 700 次后容量保持率為 90.1%。δ-MnO2 中的 Cu2+ 嵌入通過與氧原子鍵合的強離子鍵有效地增強了 δ-MnO2 的結構穩定性，并且還優化了 δ-MnO2 的電子帶隙和離子/電荷態，DFT 計算結果證明了這一點.這種結構調制策略通過操縱 ZIBs 電極材料中的電化學反應機制，為開發堅固結構的正極材料提供了新的途徑。
文獻信息
Rongguo Zhang, Pei Liang, Hao Yang, Huihua Min, Mengmeng Niu, Siyan Jin, Yuting Jiang, Zhigang Pan, Jiaxu Yan, Xiaodong Shen, Jin Wang*. Manipulating intercalation-extraction mechanisms in structurally modulated δ-MnO2 nanowires for high-performance aqueous zinc-ion batteries. Chem. Eng. J. https://doi.org/10.1016/j.cej.2021.133687