MnO2/Al@C作為水性鋅離子電池正極

趙文宇,孔清泉,安旭光,吳小強,張 靖,姚衛棠,劉小楠

(1.成都大學 機械工程學院，四川 成都 610106； 2.四川輕化工大學 化學工程學院，四川 自貢 643002)

0 引 言

中性或近中性電解質的水性鋅離子電池(ZIBs)因其成本低、安全可靠、鋅資源豐富、對環境友好、Zn2+/Zn氧化還原電位較低和高比容量而備受關注[1-3].由于獨特的晶體結構、多個錳價態和良好的鋅離子儲存能力,二氧化錳(MnO2)作為水性ZIBs的正極材料擁有巨大的潛力[4-5].然而,大多數隧道型α-MnO2正極在水溶液ZIBs中循環時發生不可逆相變,因此其容量會迅速衰減[6-8].例如,具有2×2隧道的α-MnO2隨著Zn2+的插入逐漸發生相變,從而導致隧道型結構中[MnO6]層間距的縮小[9-10].在順序充電過程之后,由于熱力學上的有利過程,α-MnO2的相變不可能完全可逆[11].此外,α-MnO2的低導電性對含水ZIBs[12-13]中的電化學動力學產生了重大限制.鑒于此,在水溶液中開發具有可逆相變和增強電化學動力學的MnO2正極是非常必要的.

研究人員普遍認為,錳溶解的基本機理是錳基正極與電解液在循環過程中發生歧化反應,使Mn3+轉化為Mn2+和Mn4+，然后,Mn2+溶解到電解液中[14-15]，晶格畸變和局部應力會加速這種不良反應,一個例子就是著名的Jahn-Teller效應.Jahn-Teller效應使得界面點陣變形和局部應力對錳的溶解有很大影響.一方面,表面能較高的正極材料,尤其是納米材料,其表面普遍處于熱力學不穩定結構或無序結構中,這可能誘發界面應力,促進錳的溶解，一旦最外層的錳原子進入電解液,將導致次表層原子發生鏈式反應,導……