吉林大学杜菲教授、张冬教授、姜珩教授最新Nano Letters：富锰凝胶界面层的设计实现长循环水系锰金属电池- 大数跨境

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吉林大学杜菲教授、张冬教授、姜珩教授最新Nano Letters：富锰凝胶界面层的设计实现长循环水系锰金属电池

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2024-10-28

导读：吉林大学杜菲教授、张冬教授、姜珩教授最新Nano Letters：富锰凝胶界面层的设计实现长循环水系锰金属电池

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文章信息

富锰凝胶界面层的设计实现长循环水系锰金属电池

第一作者：候志超

通讯作者：杜菲*，张冬*，姜珩*

单位：吉林大学

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研究背景

锰金属具有较低的氧化还原电位（-1.19 V vs. SHE）和976 mAh g^-1的高理论容量，使其成为极具吸引力的水性可充电电池负极材料之一。此外，锰是地壳中第二丰富的过渡金属，具有经济可行性和促进大规模应用的潜力。然而，锰负极具有较高化学反应活性，在水系电解液中会引发严重的析氢反应（HER）。同时，Mn²⁺离子具有较大的离子半径，导致相对缓慢的Mn²⁺迁移，容易引起负极表面的浓差极化，诱导枝晶的形成。

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文章简介

近日，吉林大学的杜菲教授，张冬教授和姜珩教授合作，在国际知名期刊Nano Letters上发表题为“An Mn-Enriched Interfacial Layer for Reversible Aqueous Mn Metal Batteries”的研究论文。该研究通过原位聚合方法在锰负极表面构建富锰凝胶界面层（Mn@MIL），同时解决了锰负极析氢和枝晶的问题。这种Mn@MIL不仅可以作为物理屏障，防止Mn负极与水系电解液的直接接触，抑制HER；此外，Mn@MIL中高浓度的Mn²⁺可以加速Mn²⁺的扩散，延长桑德时间，抑制枝晶的生长。这一创新标志着低浓度水系电池领域的重大进展，成功解决了水系锰金属电池的关键科学问题，显著提升了电池的性能，为未来的实际应用奠定了基础。

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本文要点

要点一：原位聚合的富锰凝胶界面层（Mn@MIL）可以同时抑制低浓度电解质中的HER和枝晶生长。

要点二：Mn@MIL能显著提高水系锰金属电池的循环可逆性。

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主要内容

图1. Mn@MIL的制备与表征。（a）Mn@MIL制备过程示意图。（b）CMC， PAM， MIL和Mn@MIL的FT-IR光谱测试。（c）Mn@MIL的N 1s和O 1s XPS 光谱。（d）Mn@MIL的表面SEM形貌。（e）Mn@MIL的SEM横截面图像及元素分布。（f）Mn@MIL水凝胶拉伸过程的光学照片。

图2. Mn@MIL对锰沉积/剥离可逆性的提升。对称电池在（a） 0.1 mA cm⁻²和0.1 mAh cm⁻²和（b）0.2 mA cm⁻²和0.2 mAh cm⁻²条件下的循环性能。（c）对称电池在不同电流密度下的倍率性能测试和（d）交换电流密度。

图3. Mn@MIL对HER抑制效果探究。1 M、6 M、1 M Mn@MIL和6 M Mn@MIL的（a）析氢电位测试和（b）腐蚀电流测试。（c）通过原位光学显微镜，观察Mn²⁺的沉积行为。（d）在0.2 mA cm⁻²电流下循环1 h后产氢量的对比（e）对称电池的温度与阻抗的关系。

图4. Mn@MIL对枝晶抑制效果探究。1 M、6 M、1 M Mn@MIL和6 M Mn@MIL对称电池（a）沉积/剥离CV测试（b）CA测试。（c）在0.2 mA cm⁻²下循环10小时后的阻抗测试。（d, h） 1 M, (e, i) 6 M, (f, j) 1 M Mn@MIL和（g, k） 6M Mn@MIL在0.2 mA cm⁻²下循环10 h后的SEM和3D光学表面形貌对比。

图5. Mn@MIL对全电池循环稳定性的提升。Mn@MIL//V₂O₅全电池的（a）CV曲线和（b）恒流充放电曲线和（c）倍率性能测试。全电池长循环测试（d）V₂O₅负载1 mg cm⁻² at 0.5 A g⁻¹（e）V₂O₅负载4 mg cm⁻² at 1 A g⁻¹。

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结论

综上所述，我们在Mn金属负极表面构建了一个富锰凝胶界面层（6M Mn@MIL），在低浓度电解液（1M MnCl₂）条件下，同时实现了对HER和枝晶生长的抑制。该涂层可以将Mn金属负极与水系电解质物理隔离以抑制HER。此外，Mn@MIL中较高的Mn²⁺浓度有利于Mn²⁺的迁移动力学，通过增加负极表面附近的离子浓度来延长桑德时间，从而抑制枝晶的生长。结果表明，Mn金属负极的循环可逆性得到了显著提高，Mn//V₂O₅全电池在低浓度电解液中的循环性能得到了显著提高。水系锰负极的研究目前仍处于起步阶段，但我们乐观地相信，这项工作将促进水系锰金属电池的进一步发展，并得到广泛的应用。

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文章链接

An Mn-Enriched Interfacial Layer for Reversible Aqueous Mn Metal Batteries

https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.4c03815

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通讯作者简介

杜菲教授简介：吉林大学物理学院副院长，新型电池物理与技术教育部重点实验室主任。2008年获得吉林大学材料科学与工程博士学位，师从陈岗教授，同年留校任教。2009年至2011年在超硬材料国家重点实验室从事博士后研究，合作导师为中科院院士邹广田教授。2011年至2013年赴日本东京大学物性研究所从事博士后研究，合作导师为日本著名固态化学家Yutaka Ueda教授。2017年1月至2月受德国卡尔斯鲁厄理工学院教授Helmut Ehrenberg教授邀请赴德开展合作研究。近年来，杜菲教授围绕着新型储能电池体系设计、关键电极材料的开发等研究领域开展了大量的研究工作，在Nature Materials, Nature Communications, Advanced Energy Materials, ACS Energy Letters等国际著名杂志发表论文170余篇。获2021年吉林省长白山领军人才荣誉称号，作为第一完成人获2021年吉林省自然科学一等奖一项，获2018年唐敖庆青年教师奖励基金，Journal of Materials Chemistry A杰出审稿人。

张冬教授简介：吉林大学，物理学院，教授，博士生导师。2006 年在吉林大学化学学院获得理学博士学位，师从冯守华院士。2007-2010 年，在瑞典斯德哥尔摩大学阿列纽斯实验室从事博士后研究工作。2010年回到吉林大学物理学院留校任教。2019-2020年，以访问学者身份与美国加州大学洛杉矶分校卢云峰教授开展合作研究工作。现主要从事高比能金属电池和水系电池等储能材料与器件的设计与开发。作为项目负责人主持多项国家自然科学基金委、教育部和吉林省科技厅项目，在 Angewante. Chem. Int. Ed.，Nano Letters等国际著名杂志发表SCI/EI 论文100 余篇。

姜珩教授简介：吉林大学，物理学院，教授，博士生导师，国家级青年人才。2013年和2016年于中南大学分别获得学士和硕士学位，2020年于美国俄勒冈州立大学获得博士学位，2021-2023年在美国宾夕法尼亚州立大学从事博士后工作，2023年加入吉林大学新型电池物理与技术教育部重点实验室。近年来，姜珩教授聚焦于开发超越传统的储能电池新体系，围绕电解液溶剂化结构的表征与调控、固液界面膜的功能化设计与机理研究、新型储能材料的设计优化与存储机制探索等方面，开展了系统的产学研用相结合的研究工作，发表包括Nat. Sustain., J. Am. Chem. Soc., Angewante. Chem. Int. Ed., Adv. Mater.等国际知名杂志在内的SCI论文40余篇，个人H-index为28。