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牛志强课题组Angew:Non-Metal Ion Co-Insertion Chemistry in Aqueous Zn/MnO2 Batteries
2021-02-02  

水系可充电电池由于其低成本、安全性和环境友好而引起极大的关注。此外,水系电解质的高离子传导性赋予其优异的倍率性能和反应动力学。通常,金属阳离子被用作水系电池中的载流子。载体的类型取决于电极和电解质的选择。近年来,在水系锌电池中,还观察到非金属离子(H+, NH4+, Cl-, OH-)的嵌入,这与基于Zn2+离子的常规能量存储机制不同。由于H+离子具有最低质量和最小的离子半径,因此H+离子的嵌入通常使水系电池具有高容量和快速动力学。在含有NH4+离子的水系电池中,嵌入的NH4+离子与基体材料的骨架之间会形成氢键,因此嵌入NH4+离子将有利于基体材料的结构稳定性。在水系锌电池中,由于电解液中的载流子不同,基体材料的活性位点经常变化。结果导致H+离子和Zn2+离子同时嵌入到基体材料中,从而实现两种阳离子在水系锌电池中的共嵌入。此外,两种阳离子的共嵌入能够通过两者之间的协同效应,增强电化学性能。然而,目前在水系锌电池中,H+/NH4+离子的共嵌入仍然是一个挑战。

成果简介

近日,南开大学牛志强教授课题组在Angew. Chem. Int. Ed.上发表题为:“Non-Metal Ion Co-Insertion Chemistry in Aqueous Zn/MnO2 Batteries”的通讯论文。作者基于可逆的H+/NH4+共嵌入,开发了水系Zn/MnO2电池(图1a)。H+/NH4+离子在MnO2中的共嵌入不仅增强了载流子的快速扩散动力学,而且H+和NH4+离子之间的协同作用还促进了MnO2结构演化的可逆性。基于H+/NH4+共嵌入的储能机制为Zn/MnO2电池提供了优异的倍率性能以及稳定的循环性能。

图文导读


图1. a)水系Zn/MnO2电池中H+/NH4+离子的共嵌入机理。b)根据第一性原理计算得出H+或NH4+离子在MnO2中的嵌入能。c)H+和NH4+离子嵌入MnO2后,MnO2的局部几何形状和电荷分布。

在基体材料中,双阳离子的共嵌入取决于电解质和正极材料的选择。作者通过水热法合成α-MnO2纳米纤维,作为正极的活性材料。通过密度泛函理论(DFT)计算了MnO2中H+和NH4+离子的嵌入能,如图1b所示。负能量值表示理论上可以实现嵌入反应。由于H+离子半径小,H+离子可以存储在MnO2的[1×1]和[2×2]通道中,而NH4+离子只能嵌入MnO2的[2×2]通道中。此外,H+/NH4+离子与MnO2之间的结合能也为负,表明H+和NH4+离子可以共嵌入到MnO2中。图1c说明H+和NH4+共嵌入对MnO2的局部几何形状和电荷的影响。嵌入H+离子后,H+离子将与MnO2中的O2-相互作用,形成O-H键。由于Mn-O和O-H键之间的竞争,Mn-O键中氧原子的电子密度增加(图1c)。结果,在嵌入NH4+后,MnO2和NH4+之间的氢键得到增强,这将增强扭曲的Mn3+O6八面体在MnO2中的稳定性。因此,H+/NH4+离子在MnO2中的共嵌入将增强水系电池的电化学性能。


图2. Zn/MnO2电池的储能机理。a)电流密度为0.5 A g-1的第三圈充放电曲线。b)XRD。c)FTIR谱。d)固态1H NMR光谱。e)不同荷电状态下的Mn 2p XPS。f-h)完全放电的MnO2正极的HRTEM和TEM元素分布图。

基于MnO2正极,组装了Zn/MnO2电池。该电池使用了Zn负极和水系含NH4+电解质。为了解Zn/MnO2电池的储能机理,进行了各种非原位测量,包括XRD、 FTIR、固态1H NMR和XPS。如图2a为MnO2正极的XPS谱。XRD结果表明,HxMnO2相的峰强度在放电过程中逐渐增加,表明H+离子不断嵌入MnO2通道中。随后,HxMnO2相的峰强度在充电过程中逐渐消失,表明H+离子可逆地从MnO2通道中脱出。(图2b)XPS和固态1H NMR也证明H+离子在MnO2中的可逆嵌入和脱出。在O 1s XPS光谱中,Mn-O-H信号的峰值强度在完全放电状态下增强,然后在完全充电状态下变弱,从而确认了MnO2中H+离子与Mn-O键之间可逆的化学反应。在固态1H NMR中,在完全放电状态下约310 ppm处有一个归属于HxMnO2相中1H的峰。它能可逆地在充满电的状态下返回初始状态。此外,在充电/放电过程中,H+离子的可逆嵌入和脱出伴随着Zn负极上Zn4SO4(OH)6•xH2O的可逆形成/分解。在固态1H NMR光谱中,完全放电状态下可观察到对应于MnO2中NH4+的宽峰(图2d)。充电至1.9 V后,该峰几乎消失,这归因于从MnO2中脱出NH4+离子。因此,除了H+离子外,NH4+离子还可以可逆地嵌入MnO2中,这也可以通过FTIR、XPS和TEM元素图像以及相应的EDS结果来说明(图2c,f-h)。这些测试表明,在充放电过程中,MnO2中NH4+离子发生了可逆的嵌入/脱出。因此,在充放电过程中,H+和NH4+离子可以共嵌入MnO2正极或从MnO2正极共脱嵌。

3. Zn/MnO2电池的电化学性能。a)扫描速度为0.5 mV s-1时的CV曲线。b)在0.5 A g-1时的放电/充电曲线。c)倍率性能。d)不同电流密度下的平均比容量。e)循环不同圈数后的EIS图。f)4 A g-1时的循环稳定性。g)水系电池的能量和功率密度的比较。

H+/NH4+离子的共嵌入/共脱嵌将导致MnO2中锰的化合价变化。如图2e所示,当MnO2正极处于完全放电状态时,XPS光谱的Mn 2p峰移至低结合能,这与MnO2中Mn的还原一致。然后,这些峰返回到高结合能,因为MnO2中的Mn在充满状态下被氧化成初始状态。如HRTEM所示,在充满电的状态下,MnO2可能保持初始结构。XRD和FTIR也证明了这一点(图2b,c)。这种可逆的结构演变有利于改善Zn/MnO2电池的循环性能。图3a显示相应的Zn/MnO2电池的CV曲线,氧化还原峰归因于MnO2中H+/NH4+的可逆嵌入/脱嵌过程。他们的恒电流放充电曲线与CV结果吻合(图3b)。Zn/MnO2电池的平均工作电压约为1.35 V,在0.5 A g-1时具有365 mAh g-1的高可逆比容量。此外,Zn/MnO2电池显示了出众的倍率性能(图3c,d)。当电流密度从0.5 A g-1增加到4 A g-1,仍可实现121 mAh g-1的高可逆比容量。此外,当电流密度恢复到0.5 A g-1时,Zn/MnO2电池的比容量可以恢复到360 mAh g-1,与初始容量相当。Zn/MnO2电池的这些优异性能归因于H+/NH4+共嵌入/脱嵌的快速动力学,如图3e的EIS所示。Zn/MnO2电池不仅显示出优异的能量密度(486 Wh kg-1),而且显示高的功率密度(5400 W kg-1)(图3g)。此外,在4 A g-1的高电流密度下,经过4000圈循环后,Zn/MnO2电池的比容量仍可以保持在115 mAh g-1(图3f)。

图4. Zn/MnO2电池在充放电过程中的电化学动力学。a)在不同扫描速率下的CV曲线。b)在氧化还原峰处的峰值电流与扫描倍率的对数关系图。c)在不同扫描倍下的赝电容贡献。d)在5 mV s-1时MnO2正极赝电容贡献的CV曲线。e)GITT曲线和相应的离子扩散系数以及f)放电过程中GITT曲线的设置。

为深入了解Zn/MnO2电池的快速动力学,在各种扫描速率下研究了Zn/MnO2电池的CV曲线(图4a)。它们的峰值电流(i)和扫描倍率(v)的对数呈现一定的相关性。当b值接近0.5时,反应依赖于离子扩散过程。当b值接近1时,相应的电化学行为由电容控制。图4b表明,离子扩散和电容的组合行为协同控制电荷存储过程,这对于快速的离子扩散动力学是有利的。随着扫描速率的增加,电容贡献的比容量增加(图4c,d),从而实现优异的倍率性能。作者进一步通过恒电流间歇滴定技术(GITT),揭示了MnO2正极中的离子扩散系数(图4e,f),GITT值高达~10-11至10-12 cm2 s-1,这使水系锌电池具有出色的倍率性能。

图5. a-c)H+和NH4+分别嵌入MnO2的[1×1]和[2×2]通道后的电荷密度分布。d)H+和NH4+离子在MnO2的[2×2]通道中的扩散途径。e)相应的扩散能垒曲线。

通过DFT计算不同荷电状态下嵌入不同离子(H+,NH4+或H+/NH4+)后正极材料的电荷密度分布,以了解MnO2正极中H+和NH4+离子的嵌入/脱嵌动力学(图5a-c)。计算结果表明,电荷载体通过氢键,从O-H和N-H键迁移到MnO2中的相邻Mn-O键,实现MnO2中的H+和NH4+嵌入。此外,根据Bader电荷分析,在MnO2中以H+/NH4+共嵌入的H+和NH4+的电荷转移数低于在MnO2中仅以H+或NH4+嵌入。通常,低电荷转移数有利于离子扩散。因此,MnO2中的H+/NH4+离子共嵌入使Zn/MnO2电池具有快速的动力学。此外,作者还计算了H+和NH4+离子沿着MnO2的[2×2]通道的扩散能垒(图5d,e)。结果表明,H+/NH4+共嵌入的扩散能垒约为0.37 eV,低于MnO2中仅嵌入H+或NH4+时的扩散能垒。因此,H+/NH4+离子的共嵌入可增强离子的快速扩散动力学。

总 结

该工作研究了水系Zn/MnO2电池中H+/NH4+离子的共嵌入/脱出化学。通过结合各种非原位表征技术和DFT计算,深入讨论了MnO2中H+/NH4+离子的共嵌入/脱出行为。由于H+和NH4+离子之间的协同作用,H+/NH4+离子的共嵌入可增强载流子扩散的动力学并促进MnO2结构演化的可逆性。H+/NH4+离子的共嵌入显著增强了Zn/MnO2电池的电化学性能,具有出色的倍率性能和长达4000圈的循环寿命,在高电流密度下的容量保持率达到93.3% 。非金属离子的共嵌入机制将拓宽水系锌电池的应用范围,并提供一种增强水系锌电池电化学性能的策略。

参考文献

Wang, S., Yuan, Z., Zhang, X., Bi, S., Zhou, Z., Tian, J., Zhang, Q. and Niu, Z. (2021), Non‐Metal Ion Co‐Insertion Chemistry in Aqueous Zn/MnO2 Batteries. (Angew. Chem. Int. Ed. 2020. DOI: 10.1002/anie.202017098)

原文链接:

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/epdf/10.1002/anie.202017098


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