张新宇教授/秦家千研究员/黄云辉教授/王善民教授 AFM:可控Ni2+掺杂抑制Mn2O3正极锰溶解实现高性能锌离子电池- 大数跨境

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张新宇教授/秦家千研究员/黄云辉教授/王善民教授 AFM:可控Ni2+掺杂抑制Mn2O3正极锰溶解实现高性能锌离子电池

科学材料站

2021-02-05

导读：这项工作开发了一种由NiMn双金属氢氧化物（NiMn-LDH）衍生的Ni2+掺杂的Mn2O3（NM）。其中Ni2+的掺杂可以促进Mn2O3内部的电荷重排并增强电导率，最终改善NM的反应动力学和电化学性

文章信息

可控Ni2+掺杂抑制Mn2O3正极锰溶解实现高性能锌离子电池

第一作者：张东东博士生（朱拉隆功大学）

通讯作者：张新宇教授（燕山大学），秦家千研究员（朱拉隆功大学），黄云辉教授（华中科技大学）

研究背景

水系锌离子二次电池具有安全性高、成本低、能量密度和功率密度高、环境友好等优点，近年来引起了广泛的研究兴趣。其中，锰基材料被认为是锌离子电池最有潜力的正极材料。但由于其导电性差，以及体积膨胀和锰溶解引起的可逆性差，最终限制了锰基材料的进一步发展。因此，提高锰基材料的导电性和抑制溶解对提高锌离子电池的电化学性能具有重要意义。

到目前为止，人们对改善锰基材料的性能做了大量的研究。其中，离子掺杂可以改善体系的电荷分布，稳定体系的内部结构，从而改善体系的电化学性能，但其具体机理还有待研究。

文章简介

近日，朱拉隆功大学秦家千研究员联合燕山大学张新宇教授, 华中科技大学黄云辉教授，以及南方科技大学王善民教授在国际知名期刊Advanced Functional Materials上发表题为“Inhibition of Manganese Dissolution in Mn2O3 Cathode with Controllable Ni2+ Incorporation for High‐Performance Zinc Ion Battery”的研究工作。

本研究以NiMn双氢氧化物（NiMn-LDH）为原料制备了掺Ni2+的Mn2O3（NM）。其中，Ni2+的掺杂可以促进Mn2O3内部电荷的重排，提高其导电性，最终改善NM的反应动力学和电化学性能。

此外，掺杂的Ni2+通过降低Mn2O3的形成能，有效地稳定了Mn2O3的Mn-O键，从而抑制了锰的溶解，最终实现了Mn2O3的高可逆性。此外，通过相应的表征方法，证实了H+和Zn2+同时插入和转化的电化学机理。

本文要点

要点一：通过NiMn-LDH制备Ni2+掺杂的Mn2O3

图1 Ni2+掺杂的Mn2O3的制备过程及相应表征

通过共沉淀工艺获得NiMn-LDH前驱体，随后的煅烧工艺可以将NiMn-LDH转化为Ni2+掺杂的Mn2O3。通过控制共沉淀过程中Ni和Mn的原子比，可以实现Mn2O3中Ni2+的可控掺杂。

要点二：Ni2+掺杂改善Mn2O3的电荷分布并实现性能增强

图2 Ni2+掺杂的Mn2O3的电化学性能。

用密度泛函理论（DFT）模拟了Ni2+掺杂前后Mn2O3的电荷分布，发现纯Mn2O3具有均匀的电荷分布。然而，当Ni2+掺杂到体系中时，电子倾向于聚集在与掺杂Ni原子相邻的Mn原子周围。这些含较多电子的Mn原子可以作为电子给体，促进H+或Zn2+离子的扩散，实现性能改进。

要点三：Ni2+掺杂改善Mn2O3的电荷分布并实现性能增强

图3 Ni2+掺杂的Mn2O3的电化学动力学表征。

实验（EIS，GITT）结合理论计算（PDOS，Electron density difference）的结果证明Ni2+掺杂能够提高Mn2O3的导电性和离子传输速率，进而提高电化学性能。

要点四：基于H+和Zn2+的同时插入机理以及锰溶解抑制原理

图4 机理研究和锰溶出情况监测。

使用ex-situ XRD和XPS证明了基于H+和Zn2+的插入机理。然后使用ICP检测体系中锰离子浓度，证明Ni2+掺杂能够抑制体系锰溶解，最后通过计算体系的形成能证明被抑制的锰溶解归因于Ni2+掺杂后的Mn2O3较小的形成能。

要点五：Ni2+掺杂的Mn2O3作为锌离子软包电池正极的研究

图5 软包电池结果。

为了进一步证明其实际应用的可行性，将Ni2+掺杂的Mn2O3作为正极材料组装成软包电池，发现也具有出色的电化学性能。

文章链接

Inhibition of Manganese Dissolution in Mn2O3 Cathode with Controllable Ni2+ Incorporation for High‐Performance Zinc Ion Battery

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202009412

通讯作者介绍

秦家千，博士，泰国朱拉隆功大学研究员，博士生导师

长期从事新材料的制备与应用的研究工作，已在国际一流刊物上发表论文100余篇，申请专利30余项，已获授权专利15项。目前担任Scientific Reports和Journal of Metals, Materials and Minerals编辑。秦家千博士领导的能源转换与储存实验室隶属于朱拉隆功大学冶金与材料科学研究所，是研究所主要研究组之一。目前，本实验成员由教授，博士后，在读博/硕士及本科生组成。主要从事储能材料及新型电池技术的研究与开发。实验室目前得到泰国能源部，泰国国家研究基金理事会(National Research Council of Thailand), 泰国国家科学与技术发展局(National Science and Technology Development Agency)，朱拉隆功大学的energy storage cluster, Research Unit of Advanced Materials for Energy Storage, Center of Excellence in Smart Wearable Devices等项目支持，已具有先进电池实验所需所有设备。本实验室有一定朱拉隆功大学C2F奖学金支持的博士后和博士生名额，欢迎咨询:jiaqian.q@chula.ac.th