錳基可充水鋅離子電池（ZIBs）正極材料動力學遲緩、結構不穩定嚴重，導致其倍率容量低、可循環性差，阻礙了其實際應用。預插層法柱狀二氧化錳（MnO2）是解決上述問題的有效策略。然而，增加預插層含量以實現大電流密度下高容量的穩定循環仍然是一個挑戰。本文采用高容量的K
+柱狀多納米通道MnO
2陰極（δ-K
0.25MnO
2），每4 Mn為1 K，實現了高速率的水溶液Zn
2+存儲。高含量的K
+柱，結合三維約束效應和尺寸效應，促進了循環過程中多納米通道層狀MnO
2在離子插入/去除過程中的穩定性和電子傳遞，加速并容納更多的Zn
2+擴散。多角度的原位/非原位表征表明，Zn
2+/H
+離子的共插層和相變過程是儲能機制。更具體地說，δ-K
0.25MnO
2納米球陰極在1 A g
−1下提供了297 mAh g
−1的超高可逆容量，循環500次，顯示出超過96%的δ-MnO
2理論容量利用率。即使在3a g
−1的情況下，在1000次循環后，它也提供了63%的利用率和64%的容量保留。介紹了一種基于氧化錳的高效正極材料，并對其結構動力學進行了全面分析。這些發現有可能顯著提高ZIB的儲能能力。
圖1. (a) KMnO納米球的合成示意圖。(b) δ-K
0.25MnO
2的XRD譜圖。(c) δ-K
0.25MnO
2中K2p、Mn2p和O1s的XPS光譜。(d) δ-K
0.25MnO
2的拉曼光譜。(e)透射電鏡圖像。(f) HR-TEM圖像和SAED圖像（插圖）。(g) HRTEM衍射條紋計算的選定區域的平均層間距離。
(h) HAADF-STEM圖像及其對應的K、Mn、O元素映射。
圖2. δ-K
0.25MnO
2納米球陰極的電化學性能。(a)前3個周期0.1 mV/s的CV曲線。
(b)前3個循環100 mA/g時的GCD曲線。(c) 0.1 ~ 1 A/g不同電流密度下的GCD曲線。
(d)比率執行情況。(e)-(f)電流密度為1 A/g和3 A/g時的循環性能。
圖3.δ-K
0.25MnO
2納米球陰極電化學反應動力學分析。(a)不同掃描速率下的CV曲線。(b)特定峰值電流的Log i和Log v圖。(c)典型的CV曲線顯示了0.1 mV s
−1時電容對總電容的貢獻。(d)電容容量和擴散控制容量的貢獻率。(e)充電/放電過程中GITT曲線及相應的離子擴散系數。
圖4. δ-K
0.25MnO
2基電池不同充放電狀態的原位研究。在初始兩次放電循環中，不同放電/充電狀態下的原位XRD等值線圖。
圖5. δ-K
0.25MnO
2基電池在不同充放電狀態下的非原位研究。（a）—（c）HAADF-STEM和STEM-EDS映射。Mn 2p、O 1s和Zn 2p在第一次完全放電和充電狀態下的（d-f）高分辨XPS光譜。（g） 放電至0.8 V時電極的HRTEM圖像。
圖6.層狀K+柱撐MnO
2電極Zn
2+/H
+儲存機理示意圖。
相關研究成果由中國科學院大學寧波材料工程學院Zhaoping Liu、燕山大學Guangjie Shao華北理工大學Lei Dai和燕山大學Guangjie Shao、Zhipeng Ma 課題組2024年發表在Journal of Colloid and Interface Science (鏈接: https://doi.org/10.1016/j.jcis.2024.06.170)上。原文：High-capacity K
+-pillared layered manganese dioxide as cathode material for high-rate aqueous zinc-ion battery
轉自《石墨烯研究》公眾號
