苏州纳米所在高能量密度锌锰电池研究方面取得新进展

近年来，水系锌锰电池因其丰富的自然储量，高理论容量、高电导率和本征安全性等特质引起业界的广泛关注。然而，由于正极材料的结构稳定性和电解液-电极材料间的相互作用，二氧化锰正极材料在充放电循环中易发生结构退化和其他副反应，严重阻碍了锌锰可充电池的实际应用。 

为了解决这一问题，中科院苏州纳米所邸江涛、李清文团队在经典的MnO₂/MnOOH转换反应的基础上引入二氧化锰的沉积溶解反应，可以将电极活性物质因歧化反应溶出的锰离子再沉积到电极上，实现了高循环稳定性和高能量密度的锌锰电池。

本文通过原位刻蚀技术在碳纳米管三维网络体内部沉积二氧化锰作为电池正极。自支撑的泡沫电极具有高达98.6%的孔隙率和63 m² g^-1的比表面积，可以适应MnO₂沉积/溶解过程中的体积变化，并提供有效的电荷和离子传输路径。此外，将电解液中Mn²⁺浓度调节到一个临界范围，可以在中性电解液中实现MnO₂/Mn²⁺氧化还原的可逆转化，而不涉及氧的析出。附加的MnO₂/Mn²⁺反应可以回收MnO₂/MnOOH反应中的副产物(MnOOH → MnO₂ + Mn²⁺)，有效提高了电池的稳定性。

图1 MnO₂/CNT三维网络电极储能机理示意图 

因为电解液调控和电极设计的双重作用，锌锰电池在中性电解液体系实现了单电子（Mn⁴⁺/Mn³⁺）和双电子（Mn⁴⁺/Mn²⁺）的可逆转换反应的共存，并因此表现出优秀的应用潜力。经电化学测试，锌锰电池实现了1-2 V的电压输出，高的倍率性能(在19.5 A g^-1的电流密度下容量高达430 mAh g^-1)，长的循环稳定性(历经16000循环没有明显的容量衰减)和更佳的能量密度(602 Wh kg^-1基于活性物质的质量)。

图2 锌锰电池的电化学测试

该研究成果以Highly Reversible Aqueous Zn-MnO2 Battery by Supplementing Mn²⁺-Mediated MnO₂ Deposition and Dissolution为题发表在Advanced Functional Materials上（DOI：10.1002/adfm.202101579）。论文主要作者是中科院苏州纳米所硕士生沈晓帆和王晓娜副研究员，通讯作者为邸江涛研究员和李清文研究员。该工作得到了国家自然科学基金（21773293, 21975281）、国家重点研发计划（2016YFA0203301, 2020YFB1312902）等科研项目的支持。