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婴儿被埋一天获救 科研进展 苏(su)州(zhou)纳米所在高能量密度锌锰电池...
科研进展

苏州纳米所在高能量密度锌锰电池研究方面取得新进展

发布日期:2020-05-18 浏览次数: 【关闭】

近年来,水系锌锰电池因其丰富的自然储量,高理论容量、高电导率和本征安全性等特质引起业界的广泛关注。然而,由于正极材料的结构稳定性和电解液-电极材料间的相互作用,二氧化锰正极材料在充放电循环中易发生结构退化和其他副反应,严重阻碍了锌锰可充电池的实际应用。 

为(wei)了(le)解决这一问题,中科院苏州(zhou)纳米所邸江(jiang)涛、李清文团队在(zai)经典的(de)MnO2/MnOOH转(zhuan)换反应的(de)基础上引(yin)入二氧化(hua)锰(meng)的(de)沉积(ji)溶(rong)解反应,可以(yi)将电(dian)(dian)(dian)极活性物质因歧(qi)化(hua)反应溶(rong)出的(de)锰(meng)离子(zi)再沉积(ji)到电(dian)(dian)(dian)极上,实(shi)现了(le)高(gao)循(xun)环稳定(ding)性和高(gao)能量密度(du)的(de)锌锰(meng)电(dian)(dian)(dian)池。

本文通过原位刻蚀技术在碳纳米管三维网络体内部沉积二氧化锰作为电池正极。自支撑的泡沫电极具有高达98.6%的孔隙率和63 m2 g-1的比表面积,可以适应MnO2沉积/溶解过程中的体积变化,并提供有效的电荷和离子传输路径。此外,将电解液中Mn2+浓度调节到一个临界范围,可以在中性电解液中实现MnO2/Mn2+氧化还原的可逆转化,而不涉及氧的析出。附加的MnO2/Mn2+反应可以回收MnO2/MnOOH反应中的副产物(MnOOH → MnO2 + Mn2+),有效提高了电池的稳定性。

图1 MnO2/CNT三维网络电极储能机理示意图 

因为电(dian)解液调(diao)控和(he)电(dian)极设(she)计(ji)的(de)(de)(de)双(shuang)重作用(yong),锌锰电(dian)池(chi)在中性(xing)电(dian)解液体系实现(xian)了单电(dian)子(Mn4+/Mn3+)和(he)双(shuang)电(dian)子(Mn4+/Mn2+)的(de)(de)(de)可逆转换反应(ying)的(de)(de)(de)共存(cun),并因此表现(xian)出优秀(xiu)的(de)(de)(de)应(ying)用(yong)潜力。经电(dian)化学测(ce)试,锌锰电(dian)池(chi)实现(xian)了1-2 V的(de)(de)(de)电(dian)压(ya)输(shu)出,高的(de)(de)(de)倍率(lv)性(xing)能(在19.5 A g-1的(de)(de)(de)电(dian)流密度下容量高达430 mAh g-1),长的(de)(de)(de)循环(huan)稳定性(xing)(历经16000循环(huan)没有(you)明显的(de)(de)(de)容量衰减(jian))和(he)更佳(jia)的(de)(de)(de)能量密度(602 Wh kg-1基(ji)于活(huo)性(xing)物质的(de)(de)(de)质量)。

图2 锌锰(meng)电池的电化学测试

该研(yan)究(jiu)成(cheng)果以Highly Reversible Aqueous Zn-MnO2 Battery by Supplementing Mn2+-Mediated MnO2 Deposition and Dissolution为题发表在Advanced Functional Materials上()。论文主要作(zuo)者是中科院苏州纳米所硕士(shi)生沈晓帆和(he)王(wang)晓娜(na)副(fu)研(yan)究(jiu)员,通讯作(zuo)者为邸江涛研(yan)究(jiu)员和(he)李(li)清文研(yan)究(jiu)员。该工作(zuo)得到(dao)了国家(jia)(jia)自然科学基金(jin)(21773293, 21975281)、国家(jia)(jia)重点研(yan)发计划(2016YFA0203301, 2020YFB1312902)等科研(yan)项目的支持(chi)。

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