研究背景

可充电水系锌离子电池（ZIBs）因其低成本、高安全性和环境友好性而近来受到广泛关注。然而，锰基材料总是存在不可逆的结构转变和缓慢的反应动力学，导致容量低和循环稳定性差，阻碍了它们在大规模储能中的实际应用。近日，南京工业大学王瑾团队展示了一种结构调制策略，通过 Cu2+ 嵌入来操纵层状 δ–MnO2 中的电化学反应机制。在最初几个循环中可逆的 Zn2+ 嵌入和 H+ 转化反应之后，在结构调制的 δ-MnO2 电极中发现了有利的 H+/Zn2+ 嵌入-提取机制，通过多种分析手段对其进行了彻底的研究和证明。由此产生的 δ–MnO2 正极提供快速且可逆的 Zn2+ 存储，在 0.1 A g-1 下具有 398.2 mAh g-1 的高可逆容量和在 5 A g-1 下循环 700 次后容量保持率为 90.1%。进一步的非原位表征证明了结构调制的 δ-MnO2 阴极中快速且可逆的 H+/Zn2+ 存储。密度泛函理论计算表明，δ-MnO2 中的 Cu2+ 插层通过与氧原子结合的强离子键有效地增强了 δ-MnO2 的结构稳定性，并优化了 δ-MnO2 的电子带隙和离子/电荷态，从而有利于离子嵌入——提取机制。这种结构调制策略通过操纵 ZIBs 电极材料中的电化学反应机制，为开发坚固结构的正极材料提供了新的途径。其成果以题为 “Manipulating intercalation-extraction mechanisms in structurally modulated δ-MnO2 nanowires for high-performance aqueous zinc-ion batteries” 在国际知名期刊 Chem. Eng. J. 上发表。

研究亮点

?通过 Cu2+ 插层来操纵 δ-MnO2 的插层-萃取机制。

?δ-MnO2 中的 Cu2+ 插层增强了 δ-MnO2 的结构稳定性。

?H+/Zn2+ 嵌入-萃取机制在几个循环后被确定。

?结构调制的 δ–MnO2 具有快速且可逆的 Zn2+ 存储特性。

总之，本文展示了一种新的电荷存储机制，在结构调制的 δ–MnO2 正极中通过 Cu2+ 嵌入高性能水系 ZIBs。在最初几个循环中可逆的 Zn2+ 嵌入和 H+ 转化反应之后，在结构调制的 δ-MnO2 电极中发现了一种有利的“层状到层状”H+/Zn2+ 嵌入-提取机制，通过多种分析手段对其进行了深入研究和证明。这种结构调制的 δ-MnO2 正极具有快速且可逆的 Zn2+ 存储，在 0.1 A g-1 下表现出 398.2 mAh g-1 的高可逆容量和在 5 A g-1 下循环 700 次后容量保持率为 90.1%。δ-MnO2 中的 Cu2+ 嵌入通过与氧原子键合的强离子键有效地增强了 δ-MnO2 的结构稳定性，并且还优化了 δ-MnO2 的电子带隙和离子/电荷态，DFT 计算结果证明了这一点.这种结构调制策略通过操纵 ZIBs 电极材料中的电化学反应机制，为开发坚固结构的正极材料提供了新的途径。

文献信息

Rongguo Zhang, Pei Liang, Hao Yang, Huihua Min, Mengmeng Niu, Siyan Jin, Yuting Jiang, Zhigang Pan, Jiaxu Yan, Xiaodong Shen, Jin Wang*. Manipulating intercalation-extraction mechanisms in structurally modulated δ-MnO2 nanowires for high-performance aqueous zinc-ion batteries. Chem. Eng. J. https://doi.org/10.1016/j.cej.2021.133687