安徽理工大学化学工程学院青年教师尹成杰，针对水系锌离子电池锰基正极材料中锰离子溶解造成的循环寿命急剧衰减的问题，成功制备出多孔球状氧化锰/碳复合材料，研究表明该材料具有优异的循环稳定性。相关研究成果发表于《胶体与界面科学》。
多孔球状氧化锰/碳复合材料充放电机理示意图 安徽理工大学供图
水系锌离子电池由于材料可再生、安全性高、地壳储量丰富、高理论容量等特点，是符合绿色低碳、高安全、低成本的新型储能系统，有望应用在大规模储能、后备电源、紧急设备等领域。然而，现有正极材料的溶解、电化学活性低、离子传输动力学迟缓等问题，制约了其产业化进程。
“相比较其他正极材料，锰基氧化物因其特性，具有良好的应用前景。然而，它们存在较差的倍率和容量衰减等问题。” 尹成杰向《中国科学报》介绍，如何采用一种简单策略，解决水系锌离子电池循环寿命问题，仍是一项挑战。
此次研究中，尹成杰等提出了一种新的原位碳包覆策略，通过以锰基金属有机框架作为前驱体，采用一步热处理法，成功制备出多孔球形氧化锰/碳复合材料。
“与纯氧化锰材料相比，氧化锰/碳复合材料展现出了超高的比容量和循环稳定性(在1 A/g电流密度下的比容量412.4 mAh/g)。这主要是由于氧化锰/碳与碳涂层之间的强相互作用加速了离子/电子转移，并抑制了材料中二价锰离子的溶解。”尹成杰说。
进一步，研究人员采用了非原位等方法，对氧化锰/碳复合材料的充放电机制进行了深入探究。研究发现，在充放电过程中，由于二价锰离子的溶解和水分子的嵌入，氧化锰被转化为有利于锌离子的插入和提取的层状二氧化锰。而锌离子和氢离子在随后的放电中的插入导致进一步转变为锰酸锌和碱式硫酸锌，结合碳层的保护作用共同提高了材料的比容量和循环稳定性。
尹成杰说，“这项研究为其他金属氧化物水系锌离子电池正极材料的设计和制备提供了新的策略和研究思路。同时也推动了水系锌离子电池在大规模储能领域中的应用进程。”
审稿人认为：“作者通过金属有机框架的异质界面构筑成功获得了一种具有分级球状的氧化锰/碳复合正极材料。这是一个非常有趣和创新性的研究工作，为其应用提供了理论指导，具有实际意义。”（来源：中国科学报 王敏）
相关论文信息：https://doi.org/10.1016/j.jcis.2023.03.186
