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SSB蓄电池输出: 可扩展且高导电性的α-MnO2/还原氧化石墨烯复合正极用于柔性准固态锌离子电池

2026-04-18 11:21:13

水系锌//二氧化锰(Zn//MnO2)电池因其在大规模储能和柔性电子器件中的广阔应用前景而备受关注。然而,如何通过简易方法大规模合成高性能二氧化锰2仍是一个关键挑战。本研究采用机械研磨法制备α-MnO2/还原氧化石墨烯α-MnO2/rGO)复合材料中α-MnO2纳米纤维被均匀读档于rGO片材表面。研究发现,该α-MnO2/rGO复合正极展现出显著优于[未指明比较对象]的倍率性能和循环稳定性α-MnO2这归因于其电导率的大幅提升与比表面积的显著扩大。此外,一种柔性准固态Zn//[未完成表述需补充]α-MnO2制备的/rGO电池具有优异的循环性能,并能耐受多性向损伤。该工作为大规模生产高性能水系锌离子电池正极材料提供了指导。

图文摘要

输出: 可扩展且高导电性的α-MnO采用简易机械研磨法制备的/rGO复合正极材料应用于水系锌离子电池时,展现出比裸正极更为优异的电化学性能。 %%2α-MnO cathode.2
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引言

为满足大规模储能和灵活储能市场的需求,开发先进的储能系统至关重要[1][2][3]。锂离子电池作为电化学储能系统的典型代表,在过去30年间对储能市场发挥了重要作用,但其易燃有毒电解质带来的安全问题以及锂资源价格持续上涨制约了其进一步发展[4][5][6]。在此背景下,多价态金属离子电池近年来受到广泛研究[7]。在已报道的电池体系中,水系锌离子电池(AZIBs)凭借安全性高、成本低廉(2.94美元/公斤)等优势获得了前所未有的关注。−1),且环境友好(图1a),有望在大规模储能应用和柔性电子领域替代锂离子电池[8-11]。
作为AZIBs的关键组成部分,正极材料在很大程度上决定了输出电压和容量,从而影响电池的能量密度。迄今为止,已研究的正极材料大致可分为四类:锰基氧化物[12][13]、钒基氧化物[14][15][16]、普鲁士蓝类似物[17][18][19]以及有机化合物[20][21]。在这些正极材料中,MnO2由于其高理论比容量、低成本、多价态及多样晶体结构[22],该材料极有可能被应用于商业化领域。就晶体结构而言,α-MnO2因其宽大且稳定的[2×2]隧道结构,该材料已被广泛用于锌存储。2+2012年,Kang课题组[23]首次报道α-MnO2作为AZIBs的阴极材料,其实现了210 mAh g的比容量−1购买PDF−1,这为研究α-MnO2随后,通过采用电解质优化策略[24],其比容量显著提升至285 mAh gα-MnO2在该研究中添加MnSO−1购买PDF−1作为添加剂加入ZnSO4原始电解液中以抑制Mn4溶解。除溶解问题外,2+α-MnO还面临着导电性差的难题,这阻碍了其实际应用中的速率能力。因此,已采取多项措施进一步提升2α-MnO例如,Mai团队[25]制备了石墨烯卷轴包覆结构2α-MnO外层还原氧化石墨烯(rGO)不仅显著提升了整体电导率2α-MnO纳米线,同时有效缓解了其在循环过程中的溶解问题。因此,材料的倍率能力和循环性能均得到显著提升。2α-MnO2021年,研究人员采用原位自聚合方法在材料表面包覆了导电聚吡咯(PPy)涂层2α-MnO/rGO纳米线[26],所得2α-MnO/rGO-PPy复合材料具有248.8 mAh g<sup>-1</sup>的可逆比容量2在0.5 A g电流密度下−1由于PPy和rGO优异的导电性,100次循环后仍保持85.9%的高容量保持率。除采用导电聚合物进行表面修饰外,Wang课题组[27]采用掺杂与包覆的协同策略,合成了Fe掺杂−1α-MnO/rGO正极材料,显著提升了材料的导电性和结构稳定性2α-MnO同时降低了2α-MnO晶格与锌离子之间的静电相互作用,从而实现了更优异的倍率性能和更长的循环寿命。近期,Byun及其合作者[28]系统研究了碳添加剂对电极质量负载、容量、稳定性及电极动力学的影响2α-MnO,且还原氧化石墨烯(rGO)添加剂显著提升了其电化学性能2α-MnO相较于炭黑和碳纳米管,因其能形成有效的分散体系和导电网络。然而考虑到在0.4C倍率下仅获得246.4 mAh g2的比容量,其性能仍存在改进空间。上述研究结果证实,通过复合−1α-MnO与碳基材料或导电聚合物复合有助于提升其电化学性能。然而,由于涉及多道工序,其复合过程相对复杂,这在大规模合成方面不利于实际应用。2 with carbon-based materials or conductive polymers is conductive to improving its electrochemical performance. However, their recombination process is relatively complicated for involving multiple procedures, which is not beneficial for practical application in terms of scalable synthesis.
本研究采用简易机械研磨法制备了可扩展且高导电性的α-MnO2/rGO复合正极材料,该工艺通过α-MnO2纳米纤维均匀负载于还原氧化石墨烯(rGO)片层表面(图1b)。这种可接触的一维/二维复合结构促进了电子在α-MnO2纳米纤维间的传输。因此,组装的Zn//α-MnO2/rGO电池展现出314.3 mAh g−1购买PDF−1采用2 M ZnSO4+ 0.1 M MnSO4混合电解液体系时,该电池在1 A g−1电流密度下经过600次循环仍保持优异的循环稳定性。此外,柔性准固态Zn//α-MnO2/rGO夹层结构电池的组装提供了可能,并证明其能在严苛条件下为电子计时器提供可靠电力。
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