近年来，人们对网格化电化学储能的兴趣日益浓厚，其中锌离子电池(AZIBs)尤其受到关注。在AZIBs的各种正极材料中，锰氧化物因其高能量密度和低成本而日益突出。但反应动力学迟缓，循环稳定性差，影响了其实际应用。在此，我们证明了缺陷工程和界面优化的联合使用可以同时提高MnO₂阴极的速率能力和循环稳定性。合成了具有丰富氧空位(V_O)的β-MnO₂和石墨烯氧化物(GO)包裹体，其中本体中的VO加速充放电动力学，而表面的GO抑制Mn的溶解。该电极在电流速率为4C的情况下，即使在2000次循环后，仍具有~ 129.6 mAh g^-1的持续可逆容量，优于目前最先进的MnO₂基阴极。氧化石墨烯涂层与表面VO直接相互作用以及β-MnO₂在循环过程中结构演化的规律可以解释β-MnO₂优异的性能。本研究的组合设计方案为AZIBs制备高速率、长寿命阴极提供了一条实用的途径。
 
  
图1 β- MnO₂和β-MnO₂@GO的XRD谱图。β-MnO₂@ GO的透射电镜、HRTEM形貌和相关EDS图(b和c中的插入物分别显示了GO层的存在和衍射图)。e β- MnO₂和β- MnO₂@GO的红外光谱比较。f C 1s和g O 1s的XPS峰。h β- MnO₂和β- MnO₂@GO在含氧气氛下的TGA曲线
 
 
图2 β-MnO₂和β-MnO₂@GO电极在第二循环(0.1C电流)的速率性能和恒流充放电(GCD)曲线对比。c β-MnO2@GO电极在不同速率电流下的GCD曲线。β-MnO₂和β-MnO₂@GO电极在e1c和f4c速率电流下的循环性能
 
  
图3 a在0.1C下的恒电流充放电曲线 b, c β-MnO₂@GO电极在原始点#H和#J处的XRD谱图和SEM形貌。d-g TEM和HRTEM图像的β-MnO₂@GO完全放电状态在第一个周期。h, i对选定点的O 1s和Zn 2p谱进行XPS分析。以c为单位的比例尺为~ 2 μm
 
  
图4.含和不含V_O时β-MnO₂的态电子密度。能量参照费米能级。b以β-MnO₂和β-MnO₂@GO为活性材料电极的电阻抗谱。c, d GITT曲线和计算的扩散系数
 
  
图5 a DFT计算了氧化石墨烯在β-MnO₂(110)、(101)、(100)和(001)表面V_O上的结合构型和吸附能(Ea)。b β-MnO₂电极在1C电流下循环50、100、150和200次后的原始状态和带电状态的XRD图。c, d β-MnO2电极中活性材料在1C电流下循环200次后的TEM形貌，显示结构完整性的下降，以及相应的HRTEM图像(插入ZnMn₂O₄尖晶石的衍射图)。e在1C电流下循环50、100、150和200次后，β-MnO₂@GO电极的原始状态和带电状态的XRD图。f, g β- MnO₂@ GO电极中活性材料在1C电流下循环200次后的TEM形貌，显示维持良好的纳米棒形貌，以及相应的HRTEM图像(镶嵌，衍射环显示ZnxMn₂O₄纳米晶尖晶石的(211)和(101)面)
  
       北京大学深圳研究院Feng Pan,Qinghe Zhao和Shunning Li等人于2021年发表在Nano-Micro Letters（https://link.springer.com/article/10.1007%2Fs40820-021-00691-7）上。原文：Oxygen‑Deficient β‑MnO₂@Graphene Oxide Cathode for High‑Rate and Long‑Life Aqueous Zinc Ion Batteries。

转自《石墨烯杂志》公众号