均匀电场辅助MnO2/rGO电极用于高性能锌离子电池

研究简介

锰基氧化物作为水系锌离子电池（ZIBs）的商业化正极材料具有广阔的应用前景。然而，它们的实际应用目前受到诸多挑战的阻碍，包括导电性差、离子传输缓慢以及结构不稳定。本研究通过静电自组装技术开发了一种高性能的V-MnO2/rGO正极材料。MnO2中Mn空位的引入导致局部电荷的重新分布，而与rGO的结合则产生了均匀的内部电场，从而增强了电子转移和离子传输。此外，稳固的静电相互作用增强了V-MnO2和rGO之间的界面接触，从而提高了结构稳定性。结果表明，V-MnO2/rGO正极表现出优异的电化学性能，在2Ag-1电流密度下可逆容量达到167.5mAhg-1，最大功率密度达到1628.0Wkg-1，在1Ag-1电流密度下循环1000次后容量保持率为88.6%。此外，基于V-MnO2/rGO的柔性ZIB能够稳定地为微电子器件供电，表现出良好的柔韧性和电化学稳定性。本研究为Mn空位和静电相互作用在高性能储能器件中的应用提供了宝贵的见解。

图文导读

图1.a)MnO2晶格中Mn空位示意图。b)Mn空位周围的局域电捕获场。c)V-MnO2/rGO与rGO结合后内部的均匀电场。d)V-MnO2与rGO之间的静电相互作用及其在锌离子电池中V-MnO2/rGO电极的应用。

图2.a)V-MnO2/rGO复合材料的拉曼光谱。b)V-MnO2/rGO和V-MnO2的XRD图。c)层间距扩大、界面接触优化的V-MnO2/rGO图。d)V-MnO2/rGO的TEM。e)高分辨率TEM，插图：V-MnO2/rGO的SAED图。f)V-MnO2/rGO的相应元素映射。g)V-MnO2/rGO和MnO2的EELS图，以及MnL3和MnL2边的强度比。h)V-MnO2/rGO、V-MnO2和MnO2的高分辨率Mn2pXPS图。i)V-MnO2/rGO、V-MnO2和MnO2的剖面图和Mn3sXPS图。

图3.a、b)V-MnO2/rGO电极的充放电曲线及相应的非原位XRD图。c)首次循环放电至0.8V和d)首次循环充电至1.8V，以及e)100次循环后放电至0.8V和f)充电至1.8V时V-MnO2/rGO电极的SEM图。g、h)不同放电和充电状态下V-MnO2/rGO电极的非原位高分辨率Mn2pXPS图。

图4.a)不同扫描速率下V-MnO2/rGO电极的CV曲线。b)不同扫描速率下V-MnO2/rGO电极的b值测定，其中峰值电流的对数（i）对扫描速率的对数（v）。c)不同扫描速率下V-MnO2/rGO电极的扩散和电容贡献率。d)V-MnO2/rGO电极的GITT曲线和相应的Zn2+离子扩散系数。e)V-MnO2/rGO和V-MnO2电极的Nyquist图。f)V-MnO2/rGO和V-MnO2电极的阻抗实部与低频的关系。g)不同电流密度下V-MnO2/rGO电极的恒流充放电曲线。h)V-MnO2/rGO和V-MnO2电极的倍率性能。i）电流密度为1Ag−1时V-MnO2/rGO和V-MnO2电极的循环性能。

图5.a）软包装电池示意图。b）软包装V-MnO2/rGO电极在不同电流密度0.1~2.0Ag−1下的恒流充放电曲线。c）平整状态下软包装V-MnO2/rGO电极的倍率性能。d）平整状态下软包装V-MnO2/rGO电极在2Ag−1电流密度下的循环性能。e）不同形变下软包装V-MnO2/rGO电极的循环性能（插图：分别为折叠和平整状态下软包装V-MnO2/rGO电池供电的LED灯的光学照片）。f）1Ag−1下不同折叠次数下软包装V-MnO2/rGO电池的循环性能。

研究结论

阐明了V-MnO2/rGO复合材料中均匀电场和静电相互作用对水系ZIBs电化学性能的影响。正如预期的那样，V-MnO2/rGO中均匀电场的形成降低了电子迁移的阻力，促进了Zn2+离子的传输，扩散系数为8.4×10−11cm2s−1，比V-MnO2电极（6.8×10−12cm2s−1）高一个数量级。因此，V-MnO2/rGO电极的倍率性能比V-MnO2电极有所提高，即使在2Ag−1的高电流密度下也能实现167.5mAhg−1的可逆容量。此外，通过强大的静电相互作用优化的界面接触提高了V-MnO2/rGO的结构稳定性，从而提高了长期循环寿命，在1Ag−1下经过1000次循环后的容量保持率为88.6%，比V-MnO2电极提高了11.8%。此外，得益于优异的电化学稳定性和机械性能，基于V-MnO2/rGO的柔性ZIB在外部应力下可为微电子器件提供持续稳定的功率输出，表现出高柔性和电化学稳定性，在柔性微电子器件中具有很大的应用可能性。这项工作提出了一种利用Mn空位和内部电场来设计水系ZIB中高性能正极的有前途的策略。