首页 > 行业资讯 > p带中心调控提升H+插层助力高性能水系锌离子电池

p带中心调控提升H+插层助力高性能水系锌离子电池

时间：2023-01-08 来源： 浏览：

p带中心调控提升H+插层助力高性能水系锌离子电池

能源学人
能源学人

energist

能源学人，打造最具影响力的能源科技服务平台！

收录于合集

以下文章来源于水系储能 ，作者AESer

水系储能 .

为您提供以锌，锂，钠，铝等元素为代表的前沿水系储能快讯。

【研究背景】
由于锌的高丰度和用水系电解质的高安全性，水系锌离子电池（ZIB）被认为是有希望的下一代电化学储能系统。正极材料具有最高的成本，因此开发廉价高效的正极材料对于ZIB是非常必要的。由于锰基氧化物具有高达约308 mAh g -1 的理论比容量、~1.35 V的高工作电压，因此已对其进行了深入研究。特别是δ-MnO 2 ，由于其较大的层间距而受到极大关注。然而，由于Zn 2+ 与主晶格之间的强库仑排斥，使得电化学反应动力学缓慢。一种可行的策略是增加储能过程中的H + 插层贡献。H + 插层具有优异的电化学动力学和卓越的倍率能力，然而，精确调节H + 插层仍然具有挑战性。
【工作介绍】
  本文中，报道了在MnO 2 层间预嵌金属离子（M-MnO 2 ）的关键调控，使O的p带中心（ε p ）可控，以精确调节H + 插层。其本质是通过调节Metal-O键类型和共价度对O原子平均电荷造成改变，最终促成M-MnO 2 的ε p 和H + 吸附能的优化，从而促进H + 达到吸附和解吸之间的平衡，这对提升H + 插层贡献起决定性作用。优化的Cu-MnO 2 在3A g -1 的高倍率下经过1000次循环后，仍能提供153 mAh g -1 的容量。这项工作表明，ε p 可以作为H + 插层的一个重要描述符，并且调节ε p 可以有效地提高ZIB中H + 的插层贡献。其成果以题“ Engineering p-Band Center of Oxygen Boosting H + Intercalation in δ-MnO 2 for Aqueous Zinc Ion Batteries ”在国际知名期刊 Angew. Chem. Int. Ed. 上发表。本文第一作者为张健华，通讯作者为李喜飞教授、青年教师李文斌博士，通讯单位为西安理工大学。
【研究亮点】
1） 调节δ-MnO 2 正极中O的ε p 可以有效地提高水性锌离子电池的H + 插层贡献。优化的Cu-MnO 2 在3A g -1 的高倍率下经过1000次循环后，仍能提供153 mAh g -1 的容量。
2） 通过调节Metal-O键类型和共价度可以调控O原子的平均电荷，促进M-MnO 2 的ε p 和H + 吸附能的优化，最终促成H + 达到吸附和解吸之间的平衡。
⭐ ε p 可以作为H + 插层的描述符，并且调节ε p 可以有效地提高ZIB中H + 的插层贡献。
【内容表述】
图1. 材料的物理结构表征。（a）XRD，（b）HRTEM，插图显示SAED图像和EDS映射图像，（c-d）HAADF-STEM图像，、（e）FT-EXAFS光谱和（f）Cu-MnO2拟合结构模型，（g）Cu和（h）Mn的K边WT-EXAFS。（i）测试的K边XANES光谱与理论模拟光谱之间的比较。
合成了碱金属Mg 2+ 和过渡金属Cu 2+ 预嵌的 δ-MnO 2 ，XRD证明了离子预嵌入不会改变晶相，HAADF-STEM和同步辐射证明了金属离子被成功预嵌到层间。
图2. 材料的电子结构表征。（a）Mn2p、（b）Mn3s和（c）O1s 高分辨率XPS光谱，（d） O和Mn原子的平均电荷。Cu-MnO2中（e）Mn和（f）Cu 的K边XANES谱。
XPS和DFT计算共同说明了随着Mg 2+ 和Cu 2+ 的预嵌，O原子携带的负电荷增多，说明预嵌不同类型的金属离子可以调控O的电子结构。
图3. 材料的电化学性能测试。（a）最初5圈CV，（b）CV对比，（c）倍率性能，（d）Cu-MnO 2 正极与部分报道的正极对比，（e）充放电曲线，在（f）1 A g -1 和（g）3 A g -1 下的循环性能，（h）在3 A g-1下第1000圈循环的比容量和的相应H+插层贡献。
通过循环和倍率测试发现过渡金属Cu 2+ 预嵌具有最佳的电化学性能，而且H + 的插层贡献也最高。在3A g -1 的高倍率下经过1000次循环后，仍能提供153 mAh g -1 的容量。
图4. 材料的反应动力学分析。（a）多扫速CV还原峰曲线，（b）峰1和（c）峰2的峰值电流和扫描速率的平方根的关系，（d）0.1 A g -1 下的放电GITT曲线和（e）区域I和II中相应的离子扩散系数，（f）EIS，（g）1mV s -1 下的Tafel曲线和（h）DOS。
电化学动力学测试表明：Cu 2+ 预嵌的 δ-MnO 2 具有最优的H + 插层动力学性能。EIS，Tafel，DOS也表明Cu 2+ 预嵌可以有效提升电子电导率。
图5. 材料的电子结构表征。（a）PDOS，（b）Cu-MnO 2 、Mg-MnO 2 和δ-MnO 2 的H + 吸附能、H + 插层贡献和ε p 之间的关系，（c）Cu 2+ /Mg 2+ 预嵌入对O和H原子能级的调节示意图。（d）Zn-MnO 2 、Co-MnO 2 ，Ni-MnO 2 、Cu-MnO 2 和δ-MnO 2 在3A g -1 下的循环性能，（e）3A g -1 第1000圈循环的比容量和相应的H+插层贡献，（f）PDOS，（g）H + 吸附能、H + 插层贡献和ε p 之间的关系。
发现离子预嵌的本质是调控晶格O的p-band center(ε p )，随着ε p 的上移，H + 吸附能增加，但并不是H + 吸附能越高，H + 插层贡献越高，这是因为只有达到H + 吸脱附平衡，才有利于H + 的快速存储和迁移。并进一步验证了ε p 作为H + 插层的描述符，随着Zn 2+ ,Co 2+ ,Ni 2+ ,Cu 2+ 的预嵌，ε p 上移，同时H + 吸附能增加。H + 插层贡献表现出一个火山形曲线，Cu 2+ 预嵌的MnO 2 表现出了最好的性能。
Jianhua Zhang, Wenbin Li, Jingjing Wang, Xiaohua Pu, Gaini Zhang, Shuai Wang, Ni Wang, and Xifei Li, Engineering p-Band Center of Oxygen Boosting H + Intercalation in δ-MnO 2 for Aqueous Zinc Ion Batteries, Angew. Chem. Int. Ed. 2022.
https://doi.org/10.1002/anie.202215654
作者简介
李喜飞，西安理工大学教授、博导，国家级人才，英国皇家化学会会士，2018~2022年连续五年入选科睿唯安全球“高被引科学家”，任国际电化学能源科学院（IAOEES）副主席、Electrochemical Energy Reviews（IF：32.804）执行主编、中国内燃机学会燃料电池发动机分会副主任委员、中国化学会电化学委员会委员等，主要从事微/纳米功能材料界面的设计、优化及二次电池的应用研究，已在Sci. Adv.、Nat. Commun.、Adv. Mater.、Adv. Function. Mater.、Adv. Energy Mater.、Energy Environ. Sci.、Nano Energy 等发表论文350篇，引用19700余次，H因子73。科研成果获陕西省自然科学二等奖（2021，1/6），曾被陕西电视台、天津卫视、陕西日报等媒体重点报道。
李文斌，西安理工大学青年教师、博士，硕导，已在Adv. Funct. Mater.、Small Methods、Nano Energy、Appl. Catal. B-Environ.、J. Mater. Chem. A、Chem. Eng. J.、ChemSusChem、J. Power Sources、Nanoscale、ACS Sustainable Chem. Eng.等期刊发表论文 40 篇，一作或通讯作者25 篇（中科院一区论文16篇），封面文章3篇，其中一篇论文获西安市自然科学优秀学术论文一等奖。
2023年1月7日，Next系列期刊Next Energy将在能源学人成立6周年年会上首次亮相，欢迎关注！

直播时间：2023年1月7日上午9:00-18:00
（今天 ）

版权：如无特殊注明，文章转载自网络，侵权请联系cnmhg168#163.com删除！文件均为网友上传，仅供研究和学习使用，务必24小时内删除。
相关推荐
热门信息