科研进展

东北大学理学院与EPM实验室合作在Advanced Functional Materials颁发重要研究成果_ֹ

作者: 宋禹 编纂: 李家祥 张广宏 来源:理学院 更新日期: 2024-05-11

5月1日,东北大学理学院化学系宋禹副教授和EPM实验室崔伟斌教授在水系锌离子电池领域的合作研究成果“Hydroxylated Manganese Oxide Cathode for Stable Aqueous Zinc-Ion Batteries”在线颁发于材料科学领域TOP期刊Advanced Functional Materials。论文第一作者为理学院2021级硕士研究生李梦雪,理学院宋禹副教授、EPM崔伟斌教授为共同通讯作者。该工作是理学院与EPM实验室践行理工深度融合创新的又一重要成果,为我校材料学科的发展贡献了化学力量。

可充电水系锌离子电池在大规模储能应用中极具潜力。在水系锌离子电池诸多正极材料中,氧化锰具有理论容量大、放电平台高、成本低、环境友好等优点,备受科学界的关注。相关研究表白,H+ 与氧化锰反应会导致锰的不成逆溶解,这是氧化锰材料性能衰减的主要原因。为了提高锌离子电池氧化锰电极的循环不变性,通常使用Mn2+ 电解质添加剂来确保不变的电能输出。然而,在电池运行过程中,Mn2+ 添加剂的沉积/溶解也提供了容量,因此难以精准评估电极和/或电解质的实际容量贡献。此外,Mn2+添加剂的量与电池性能密切相关,这也不适用于贫电解液条件下的Zn离子电池系统。因此,开发不含Mn2+ 添加剂的不变锌-锰电池极具研究价值。

东北大学理学院宋禹副教授联合EPM实验室崔伟斌教授等人采用电化学方法,制备富含Mn-OH组分的羟基化层状氧化锰材料(H-MnO2)。作为水系锌离子电池正极,H-MnO2在3 M ZnSO4电解液(无锰盐添加剂)中展现良好的电化学不变性,连续循环5000次,比容量维持率高达95%,优于文献报道的其他水系锌锰电池。实验结果表白,氧化锰羟基化策略可有效按捺电解液中H+与氧化锰的反应,进而按捺锰溶解,提升材料的循环不变性。理论计算结果显示,MnO2的部分羟基化作用削弱了H+ 与氧化锰表面的彼此作用,促进Zn2+ 的化学吸附、加速Zn2+在材料表面的扩散过程,很好地解释了羟基化后电荷储存机制的演变。

图一 MnO2和H-MnO2的电化学制备及表征

水系电池有望成为智能电网的可靠能量存储单元。创制低成本、高安全、长寿命的水系电池体系是材料与化学领域面临的巨大挑战。该成果提出新颖的电化学羟基化概念,改变材料表面电荷分布,调控载流子与电极材料的彼此作用,有效提升水系锌锰电池的使用寿命。这一研究为设计不变的水系锌-锰电池提供了新思路,为水系锌锰电池的商业化应用起到重要鞭策作用。

东北大学分析测试中心在本实验的TEM图像采集中提供了重要帮手。

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