分子装甲技术封装实用的层状MnO2正极提升Zn-MnO2电池性能

研究简介

用于储能应用的高能锌锰氧化物(Zn-MnO2)软包电池和方形电池的开发需求巨大，但其挑战性依然巨大，尤其是在Ah级领域。为了弥合实验室研究与商业应用之间的差距，本研究采用分子装甲技术封装实用的层状MnO2正极，并探究其在Ah级Zn-MnO2软包电池和方形电池中的应用潜力。分子装甲封装不仅增强了正极导电性，还重塑了界面电荷分布，从而提高了氧化还原动力学和离子存储可逆性。同时，它充当物理屏障，减缓锰的溶解，并吸收离子嵌入/脱嵌产生的晶格应变，防止正极结构损坏。最终，基于优化的分子装甲MnO2正极，制备的Ah级软包电池表现出稳定的120次循环和约58Whkg-1的实际能量密度。方形电池中的系统模块集成测试和安全评估进一步验证了系统的可扩展性和运行可靠性，证明了其作为未来储能应用可行解决方案的潜力。

图文导读

图1. (a) PANI分子装甲包裹δ-MnO2正极的大规模生产示意图及其工作机理。(b)Zn-MnO2软包电池示意图和(c)方形电池示意图

图2.PMO正极材料的结构和形貌表征。(a)10%PMO材料的SEM图。(b)TEM图、(c)HR-TEM图和(d)10%PMO材料的相应EDS元素分布图。(e)不同含量PANI改性的PMO材料的XRD、(f)FT-IR和(g)拉曼。0%PMO和10%PMO材料的(h)N1s、(i)Mn3s、(j)Mn2p和(k)O1s的XPS。

图3.PMO正极的储能机理。(a)H2O、Zn2+和H+分别在PANI和MnO2上的结合能。Zn-PMO电池(b)充放电曲线和(c)相应的PMO正极在不同状态下的XRD，电流密度为0.5Ag–1，电压范围为0.5至1.9V。放电状态下PMO正极中(d)Zn2+和(e)H+在TOF-SIMS溅射体积内的三维分布。(f)不同扫描速率下Zn-PMO电池的CV曲线。(g)log(v)对log(i)的线性图及拟合。(h)电容对总容量的贡献。(i)Zn-PMO电池充放电过程中相应DRT的云图

图4.采用不同正极材料的电池在不同充放电循环下的Nyquist图：第1次循环（a）充电和（b）放电状态，第10次循环（c）充电和（d）放电状态，第100次循环（e）充电和（f）放电状态。（g）δ-MnO2正极和（h）10%PMO正极在不同循环阶段后的SEM图。

图5.Zn-PMO电池的电化学性能。（a）扫描速率为1mVs–1时不同PMO正极的CV曲线。（b）电流密度为0.5Ag–1时不同正极的循环性能。（c）电流密度为1Ag–1时10%PMO正极的长期循环性能和（d）不同循环的充电/放电曲线。（e）10%PMO正极在不同电流密度范围（0.2至2Ag–1）下的倍率容量。（f）10%PMO正极在不同电流密度范围（0.1至2Ag–1）下的充电/放电曲线。（f）10%PMO正极在不同电流密度范围(0.2至2Ag–1)下的倍率容量。

图6.放大版Zn-PMO软包电池和方形电池在实际储能应用中的电化学性能。（a）300mAh容量Zn-PMO软包电池的长期循环性能和（b）不同循环下的充电/放电曲线。（c）900mAh软包电池的长期循环性能。（d）风能和太阳能充电的Zn-PMO方形电池的多方面应用演示。（e）Zn-PMO方形电池在未来智能电网中的应用。

研究结论

本研究建立了一种原位分子装甲策略，作为稳定实用锌电池中层状二氧化锰正极的通用解决方案。聚苯胺分子装甲层既可作为抑制不利反应的物理屏障，又可作为吸收晶格应变的机械缓冲层，从而维持电极的完整性。此外，层状二氧化锰正极上的导电分子装甲重新配置了电极表面电荷分布，从而增强了反应动力学以及H+/Zn2+的可逆性。优化后的10%PMO正极在0.1Ag-1电流密度下可达到263.4mAhg-1的高比容量，并在1Ag-1电流密度下循环2500次后仍保持85%的容量保持率，展现出卓越的循环稳定性。900mAh软包电池表现出了实用可行性，其能量密度高达58Whkg-1，循环120次后容量保持率为75%。Zn-MnO2方形电池与太阳能/风能系统的进一步成功结合验证了分子装甲工程策略在电网规模可再生能源存储中具有良好的实际应用前景。