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水系鋅錳電池因其豐富的自然儲(chǔ)量、高理論容量、高電導(dǎo)率和本征安全性等特質(zhì)引起關(guān)注。然而，由于正極材料的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和電解液-電極材料間的相互作用，二氧化錳正極材料在充放電循環(huán)中易發(fā)生結(jié)構(gòu)退化和其他副反應(yīng)，阻礙了鋅錳可充電池的實(shí)際應(yīng)用。

基于此，中國科學(xué)院蘇州納米技術(shù)與納米仿生研究所研究員邸江濤、李清文團(tuán)隊(duì)在經(jīng)典的MnO2/MnOOH轉(zhuǎn)換反應(yīng)基礎(chǔ)上引入二氧化錳的沉積溶解反應(yīng)，可以將電極活性物質(zhì)因歧化反應(yīng)溶出的錳離子再沉積到電極上，實(shí)現(xiàn)了高循環(huán)穩(wěn)定性和高能量密度的鋅錳電池。

該研究通過原位刻蝕技術(shù)在碳納米管三維網(wǎng)絡(luò)體內(nèi)部沉積二氧化錳作為電池正極。自支撐的泡沫電極具有高達(dá)98.6%的孔隙率和63 m2 g-1的比表面積，可以適應(yīng)MnO2沉積/溶解過程中的體積變化，并提供有效的電荷和離子傳輸路徑。此外，將電解液中Mn2+濃度調(diào)節(jié)到一個(gè)臨界范圍，可以在中性電解液中實(shí)現(xiàn)MnO2/Mn2+氧化還原的可逆轉(zhuǎn)化而不涉及氧的析出。附加的MnO2/Mn2+反應(yīng)可以回收MnO2/MnOOH反應(yīng)中的副產(chǎn)物（MnOOH → MnO2 + Mn2+），有效提高了電池穩(wěn)定性。因?yàn)殡娊庖赫{(diào)控和電極設(shè)計(jì)的雙重作用，鋅錳電池在中性電解液體系實(shí)現(xiàn)了單電子（Mn4+/Mn3+）和雙電子（Mn4+/Mn2+）的可逆轉(zhuǎn)換反應(yīng)的共存，并表現(xiàn)出較大應(yīng)用潛力。經(jīng)電化學(xué)測試，鋅錳電池實(shí)現(xiàn)了1-2 V的電壓輸出，高的倍率性能（在19.5 A g-1的電流密度下容量高達(dá)430 mAh g-1），長的循環(huán)穩(wěn)定性（歷經(jīng)16000循環(huán)無明顯容量衰減）和更佳的能量密度（602 Wh kg-1基于活性物質(zhì)的質(zhì)量）。

相關(guān)研究成果以Highly Reversible Aqueous Zn-MnO2 Battery by Supplementing Mn2+-Mediated MnO2 Deposition and Dissolution為題，發(fā)表在Advanced Functional Materials上。論文主要作者是中科院蘇州納米所碩士生沈曉帆和副研究員王曉娜，論文通訊作者為邸江濤和李清文。研究工作得到國家自然科學(xué)基金、國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃等項(xiàng)目的支持。


原標(biāo)題：蘇州納米所在高能量密度鋅錳電池研究中取得進(jìn)展