中南大学AFM富氧缺陷的锰酸钾抑制锰溶解

可充电的水系锌离子电池（ZIBs）具有成本低、运行安全性高、环境友好等优点，在大规模储能应用上具有很大的发展潜力。有关水系锌离子电池的系列研究表明，锰基正极比其他正极具有更高的能量密度。不过，高能量密度的锰基正极通常会受到锰溶解和结构崩塌的困扰，这是因为其高充放电容量和高工作电压使其热力学不稳定性增加，从而导致显著的容量衰减。过去的研究表明，在电解液中额外添加Mn2+或使用石墨烯涂覆技术可以在一定程度上抑制Mn3+歧化导致的Mn2+溶解。然而，提高锰基正极的本征稳定性，使其在水系锌离子电池中具有良好的长循环稳定性仍然是一个巨大的挑战。为此，我们开发了一种钾离子稳定嵌入的含氧缺陷锰酸钾（K0.8Mn8O16），作为一种高能量密度、长寿命的水系锌离子电池正极材料。稳定嵌入的K+离子可以有效地缓解锰在循环过程中的溶解，同时氧缺陷能提高材料的反应动力学。本工作对锰溶解和氧缺陷的研究，为高性能水系锌离子电池开辟新的思路。

近日，中南大学周江、梁叔全教授团队在AdvancedFunctionalMaterials上发表了题为“SuppressingManganeseDissolutioninPotassiumManganatewithRichOxygenDefectsEngagedHigh-Energy-DensityandDurableAqueousZinc-IonBattery”的水系锌离子电池最新研究成果。该文章报道了一种具有本征结构稳定性和快速反应动力学的钾离子嵌入的富氧缺陷K0.8Mn8O16作为中性水系锌离子电池的正极材料。作者通过K+离子的稳定嵌入来抑制锰的溶解，从本质上稳定了锰基正极。这种材料表现出Whkg-1（基于正极质量）的高能量密度和超过次的长循环稳定性。综合研究表明，氧缺陷对K0.8Mn8O16的快速反应动力学和容量提高起到了关键作用。此外，作者还对该材料的储能机制进行了详细的研究。方国赵博士为论文的第一作者；周江特聘教授、梁叔全教授为论文的共同通讯作者。

（a）KMO和α-MnO2的XRD图谱；

（b）KMO的EDX元素映射图像；

（c）KMO的HRTEM图像；

（d）O1s高分辨率XPS光谱；

（e）MnL-边NEXAFS光谱；

（f）KMO和α-MnO2的光致发光光谱。

（a）mAg-1下的循环性能以及第10个循环时相应的恒电流充放电曲线；

（b）电解质电阻Rs和电荷转移电阻Rct图；

（c）KMO和α-MnO2在循环过程中，在2MZnSO4水系电解质中溶解的Mn2+的元素分析；

（d）K+离子掺入稳定锰多面体的示意图。

（a）KMO和α-MnO2电极0.1mVs-1下的典型CV曲线。（a）中的插图：在不同扫描速率下，第一对氧化还原对的过电位间隙（例如，KMO在0.1mVs-1时为1./1.V）；

（b）H+扩散到具有无缺陷结构和氧缺陷结构的KMO中的示意图；

（c）不同充放电状态下KMO和α-MnO2电极的GITT（恒电流间歇滴定技术）曲线和相应的H+扩散系数；

（d）不同扫描速率下KMO电极的CV曲线；

（e）赝电容贡献的相应百分比；

（a）KMO和α-MnO2电极从mAg-1到mAg-1的倍率性能；

（b）KMO的能量比较图（仅基于正极材料的重量）与先前一些用作水系锌离子电池的正极材料进行比较；

（c）在mAg-1下，KMO和α-MnO2电极的长循环寿命性能。（c）中的插图：KMO电极在mAg-1下最后十圈的充放电曲线。

（a）在0.1Ag-1下前两次循环的原位XRD图谱；

（b）完全放电状态下的原位TEM图像；

（c）相应的EDX元素（K、Mn、O、Zn和S）映射图像；

（d）在初始和完全放电/充电状态下的O1s高分辨率XPS光谱；

（e）完全放电状态下的原位HRTEM图像；

（f）KMO在水系锌离子电池中的电化学反应机理示意图。

在这篇文章中，我们报道了一种钾离子稳定和富氧缺陷K0.8Mn8O16作为水系锌离子电池（中性电解液）的正极材料。我们为通过掺入K+离子稳定锰基正极，从而抑制锰的溶解。同时对K0.8Mn8O16的氧缺陷进行了一系列的实验研究，证明其大大提高了K0.8Mn8O16的电化学活性和反应动力学。得益于此，我们的水系Zn/K0.8Mn8O16电池获得了Whkg-1（基于正极质量）的高能量输出和高达次的长循环寿命，这将大大促进水系锌离子电池的发展。

文献链接：

SuppressingManganeseDissolutioninPotassiumManganatewithRichOxygenDefectsEngagedHigh-Energy-DensityandDurableAqueousZinc-IonBattery(AdvancedFunctionalMaterials,DOI:10.2/adfm.,

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