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江苏科技大学材料学院JMCA：3D微球结构设计提升锰基水系锌离子电池性能

科学材料站

2020-11-12

导读：该研究工作采用气相法制备了一种新型3D MXene@MnO2微球，其特征在于将MnO2纳米粒子稳定地包裹在MXene纳米片中，构建了具有高密度和高导电性的3D微球结构

3D微球结构设计提升锰基水系锌离子电池性能

第一作者：施敏杰#，王贝#

通讯作者：晏超*，阎兴斌*

单位：江苏科技大学材料学院，中科院兰州化学物理研究所

研究背景

可充电二次电池具有优越的储能特性、宽电压窗口以及可靠的电化学可逆性等特点，在大规模储能系统中得到了广泛应用。然而传统二次电池使用的有机电解液成本昂贵，且存在环境污染、以及易燃易爆、有毒等安全隐患。因此，利用低成本、高安全以及环境友好的中性水系电解液构建可充电二次电池受到了越来越多的研究。

其中，金属锌具有储量丰富、无毒、过电位低（-0.76 V）和理论容量高（5851 mAh mL-1）等优点，使得水系锌离子电池极具吸引力。二氧化锰（MnO2）被认为是水系锌离子电池中最有潜力的正极材料之一，但由于其振实密度低、电子转移速率缓慢以及循环过程中容量易衰减，极大地阻碍了锰基水系锌离子电池的实际应用。所以当前面临的挑战是如何制备高效的锰基正极材料？并且怎样构建高性能的锰基水系锌离子电池？

文章简介

近日，江苏科技大学材料学院晏超教授研究团队与中科院兰州化学物理研究所阎兴斌研究员合作，在国际知名期刊Journal of Materials Chemistry A（影响因子：11.303）上发表题为“3D High-Density MXene@MnO2 Microflowers for Advanced Aqueous Zinc-Ion Batteries”的文章。

该研究工作采用气相法制备了一种新型3D MXene@MnO2微球，其特征在于将MnO2纳米粒子稳定地包裹在MXene纳米片中，构建了具有高密度（1.52 g cm-3）和高导电性的3D微球结构，其作为水系锌离子电池的正极材料展现出优越的电化学性能，特别是高可逆比容量、以及良好的倍率特性和循环性能，大幅度提升了锰基水系锌离子电池的性能。

此外，通过原位Raman等表征技术对其充放电过程中的相结构演变和电化学机制进行了深入地探讨和研究。并且以实际应用为导向，构建了高性能柔性水系锌离子电池。

图1. 3D MXene@MnO2微球的气相制备及在水系锌离子电池中的性能研究

本文要点

要点一：气相制备3D MXene@MnO2微球结构

喷雾干燥法是一种气相制备三维微球结构的重要手段，该方法操作简单、安全环保、可实现大规模批量化生产。基于快速溶剂蒸发和物理收缩产生毛细力的原理，该团队研究人员通过喷雾干燥法将γ-MnO2颗粒均匀的包裹固定在MXene纳米片中，构建了一种新型的3D MXene@MnO2 微球结构。

结果发现：该3D微球结构展现出优越的电子导电性、良好的亲水性、高振实密度（1.52 g cm-3）、以及快速的电化学动力学特性。

要点二：原位Raman技术研究电化学过程中的储锌机制

利用原位Raman技术结合异位XPS测试对3D MXene@MnO2 微球的电化学充放电的过程进行了动态的分析。由于Zn2+的嵌入和水分子的引入，使γ-MnO2晶体中的[1×2]隧道结构骨架趋于膨胀打开，在放电过程中形成层状结构birnessite，发生了高度可逆的氧化还原反应。

此外，该3D MXene@MnO2 微球结构不仅具有高的可逆比容量（301.2 mAh g-1），并且展现出优越的倍率性能以及循环稳定性，大幅度提升了锰基水系锌离子电池的电化学性能。

要点三：高性能柔性可充电水系锌离子电池的有效构建

随着智能医疗、虚拟现实、人工智能等科技的普及，可穿戴电子设备的需求激增。该团队研究人员将3D MXene@MnO2 微球作为正极材料，电沉积Zn作为负极材料，构建了具有高度柔性的水系锌离子电池。

组装的柔性水性锌离子电池具有低成本、易于制造、高安全性以及环境友好的优点，并且在动态形变状态下都能展现出可靠的储能特性与循环稳定性，揭示了其在可穿戴设备中的潜在应用价值，为未来柔性水系电池的设计和发展提供了借鉴作用。

文章链接

“3D High-Density MXene@MnO2 Microflowers for Advanced Aqueous Zinc-Ion Batteries”

https://doi.org/10.1039/D0TA09085A

通讯作者介绍

晏超教授

简介：现任江苏科技大学材料学院党委书记，江苏科技大学青年科技协会主席，江苏省复合材料学会常任理事，主要研究方向包括高分子材料的结构与性能、二维纳米材料的制备以及在能源领域等方面的应用。主持及完成国家自然科学基金面上项目等国家级省部级科研项目10余项。入选江苏省六大人才高峰，江苏省青蓝工程学术带头人。至今在ACS Nano、Advanced Science、Nano energy 、Journal of Materials Chemistry A、NPG Asia Materials、Journal of Power Sources、Chemical Engineering Journal、Macromolecules等期刊发表SCI论文100余篇，引用3000余次，15篇论文入选ESI Highly Cited Paper，参编Springer Verlag与Wiley-VCH出版社多本书籍，申请国家发明专利10余项。

阎兴斌研究员

简介：中科院人才计划入选者、中科院兰州化学物理研究所清洁能源化学与材料实验室主任。主要从事新型碳纳米材料和电化学储能技术（超级电容器和金属离子混合电容器为主）的研究，至今以通讯作者在Nature Commun.、Energy Environ. Sci.、Adv. Energy Mater.、Adv. Funct. Mater.、Energy Storage Mater.等期刊发表SCI论文200余篇，引用10000余次，H因子为57。负责承担了多项国家级科研项目，获得的多项关键技术在企业已经实现了应用转化。近5年先后获得甘肃省五四青年奖章（2015）、甘肃省科技发明一等奖（2015）、国家科技发明二等奖（2016）、中国科学院特聘研究员（2017）和甘肃省自然科学一等奖（2019，排名1）。

第一作者介绍

施敏杰副教授

简介：主要从事有机/无机复合材料的结构设计及其电化学储能机制研究，博士师从上海交通大学材料学院高濂教授与张鹏教授课题组，上海市优秀博士毕业生。2018年下半年加入江苏科技大学材料学院后，以第一作者身份在Advanced Science、NPG Asia Materials、Journal of Materials Chemistry A、Chemical Engineering Journal、Journal of Power Sources、Electrochimica Acta等学术刊物上发表多篇研究论文。主持国家自然科学青年基金、江苏省自然科学基金、江苏省高校自然科学基金、企业委托项目等，获得2019年江苏省双创博士资助，江苏省电机工程学会青年创新大赛二等奖，JMR年度最佳论文奖。

王贝研究生

简介：2018年6月本科毕业于咸阳师范学院，2018年至今为江苏科技大学材料学院硕士研究生，指导老师为晏超教授和施敏杰副教授。主要从事锰基正极材料的可控制备及在水系锌离子电池中的性能研究。入学以来在Journal of Materials Chemistry A、Chemical Engineering Journal、Journal of Power Sources、Electrochimica Acta期刊上发表研究论文，荣获研究生一等学业奖学金。