蒋青教授/赵丽君教授CEJ：Mn掺杂的ZnO微米球作为水性锌离子电池正极材料，在大电流密度下具有高达10000次循环的超稳定性- 大数跨境

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蒋青教授/赵丽君教授CEJ：Mn掺杂的ZnO微米球作为水性锌离子电池正极材料，在大电流密度下具有高达10000次循环的超稳定性

科学材料站

2020-11-28

导读：这篇文章通过控制温度合成了微量Mn掺杂的ZnO微米球，该材料用作水系锌离子电池正极具有优异的电化学性能

文章信息

Mn掺杂的ZnO微米球作为水性锌离子电池正极材料，在大电流密度下具有高达10000次循环的超稳定性

第一作者：周娟

通讯作者：蒋青*，赵丽君*

单位：吉林大学

研究背景

水系锌离子电池有较低的成本和极高的安全性，且组装时无需严苛的无氧干燥环境，故在某些领域成为有望代替锂离子电池的储能设备。

金属锌因具有高的理论比容量(820 mA h g-1)，合适的电化学电位(-0.762 v,相对于标准氢电极)，无毒且在空气中稳定的特征而成为了理想的负极材料。在中性或弱酸性电解液中，锌负极钝化和腐蚀的现象得到极大的改善。所以，最大程度地发挥锌负极的作用的关键就是找到合适的高性能锌离子电池正极材料。

二价锌离子在嵌入正极材料时由于大的静电斥力导致较差的反应和传输动力学，且常见的过渡金属氧化物正极材料导电性差。

本篇文章通过水热法合成了微量Mn掺杂的ZnO微米球，该材料用作水系锌离子电池正极具有优异的电化学性能。本文为未来水系锌离子电池的研究提供了新的方向，有助于加速水系锌离子电池领域的研究及实际应用。

文章简介

近日，来自吉林大学的蒋青教授与赵丽君教授在期刊Chemical Engineering Journal 上发表题为“Mn-Doped ZnO Microspheres as Cathode Materials for Aqueous Zinc Ion Batteries with Ultrastability up to 10 000 Cycles at A Large Current Density”的文章。

这篇文章通过控制温度合成了微量Mn掺杂的ZnO微米球，该材料用作水系锌离子电池正极具有优异的电化学性能，在 1 和 5 A g-1 的电流密度下分别具有 268.1 和 163.8 mA h g-1 的比容量，在 5 A g-1 下进行10000次长循环后，仍可以获得相对于第一个循环146.7％的容量保持率，且库仑效率接近100％。此外，当材料的功率密度为 6896.7 和 646.25 W kg-1 时，能量密度分别为 206.9 和 413.6 Wh kg-1 。

本文要点

要点一：温度调节合成适宜的材料

文章首先合成Mn掺杂ZnO的前驱体，对其进行差热-热重分析，分别选取可能发生相变和重量变化较大的 350 和 550 °C 对前驱体进行热处理，350 °C为单一ZnO相，550 °C 热处理后材料出现了 ZnMnO3 相，温度调节会影响Mn的掺杂，且过高的煅烧温度极大地破坏了微米球和其上附着的纳米片，从而影响材料的电化学性能。

要点二：由纳米颗粒组成的微米球

不同于常见的纳米材料，本文合成了直径在 2~3 微米左右的微米球，微米球表面具有由纳米颗粒组成的纳米片，这样的结构增加了电极材料与电解液的接触面积，而且，纳米级活性表面可提供更多的活性位点以确保电化学反应速率。此外，微米级材料具有不易团聚，涂敷于集流体上不易脱落的优点。

要点三：均匀孔径

本文合成的材料含有大量尺寸集中在 6 纳米的均匀孔径，可提供更多的Zn2+扩散通道并减轻电化学过程中的应力和应变，此外，尺寸分布集中的孔径有利于控制Zn2+嵌入与脱嵌的速度，这在大电流密度下更为突出，避免了大量Zn2+嵌入与脱嵌造成的结构坍塌。

要点四：Mn的掺杂

通过电化学阻抗的测试，掺杂Mn到ZnO结构中不仅可以调节电子结构，而且可以显著增强电导率。此外，由DFT模拟计算可得，相比于未掺杂Mn的ZnO, 掺杂Mn的ZnO具有更低的Zn2+扩散能垒，从而提高了反应动力学，使得材料有优异的电化学性能。

文章链接

Mn-Doped ZnO Microspheres as Cathode Materials for Aqueous Zinc Ion Batteries with Ultrastability up to 10 000 Cycles at A Large Current Density

https://authors.elsevier.com/sd/article/S1385-8947(20)33890-0

通讯作者介绍

蒋青教授

吉林工业大学学士（1982年）和硕士（1984年）毕业，德国斯图加特大学（马普金属所）博士毕业（1990年），随后在德国柏林工业大学做2年博士后。获国务院政府特殊津贴（1993年）、教育部跨世纪优秀人才培养计划基金（1999年）、第七批国家自然科学基金委杰出青年基金（2000年）、全国五一劳动奖章（2003年）、第五批教育部“长江学者和创新团队发展计划”（2008年）。是第二批人事部百千万人才工程一二层次人选（1999年）、第四批教育部长江学者奖励计划特聘教授（2001年）、英国皇家物理学会Fellow（2006年）、欧盟科学院院士（2018年）。

任教育部汽车材料重点实验室主任，英国工程与理学研究委员会同行评议学会海外委员（2003-），英国皇家学会牛顿高级奖学金评审委员会委员（2014-）；教育部第六届科技委材料学部委员（2009-）；中国材料研究学会理事（2011-）；为Scientific Reports编委、Current Nanoscience，The Open Physical Journal顾问编委。

研究介观材料相变热/动力学、介观材料界面热/动力学、能隙调控热力学、表面吸附与催化热/动力学等。发表SCI论文400多篇，被Web of science 引用21000次，H-index=74。撰写、参编著作11部，参编手册4部。翻译著作1部。获省部科技进步一、二、三等奖五项，省教学成果三等奖1项，获得发明专利7项。

赵丽君教授

2006年博士毕业于吉林大学，随后在中国科学院长春应用化学研究所从事博士后研究工作。2008年加入吉林大学，现为材料科学与工程学院金属材料工程系金属材料专业教授。长期从事金属和金属氧化物在光催化、污水处理以及能源领域的应用研究。以通讯作者身份在J. Mater. Chem. A, Chemical Engineering Journal, Electrochimica Act等学术刊物上发表多篇研究论文。