研究背景
随着传统能源的逐渐枯竭，环境污染和能源危机成为了全球关注的焦点。在这样的背景下，开发新型清洁、高效的能源存储设备成为了研究的热点。水系锌离子电池（ZIBs）因其低成本、丰富的金属锌资源、环境友好性以及在新一代能源存储电池中的广阔发展前景而备受关注。然而，ZIBs的正极材料——锰基氧化物，尽管具有成本低、电压范围高的优势，却存在导电性差、反应过程中结构易坍塌、材料溶解等问题，这些问题严重影响了ZIBs的长期循环稳定性和倍率性能。为了解决这些挑战，研究人员通过元素掺杂、形态控制、引入其他复合材料等方法对锰氧化物进行改性。例如，通过铋（Bi）掺杂α-MnO2，可以稳定复合材料的隧道结构，提高纯相α-MnO2的电导率，减弱化学键强度。此外，通过引入导电材料、形态控制或合成复合材料也是减缓锰溶解的有效方法。
成果简介
在这项研究中，中国矿业大学的研究团队成功合成了掺杂锡（Sn）的二氧化锰（MnOx）和导电的还原氧化石墨烯（rGO）纳米棒状材料（2%Sn-MnOx/rGO），通过原位溶剂热自生生长法制备。这种材料具有丰富的Sn活性位点，高度分散，且石墨烯的引入增加了2%Sn-MnOx的导电性，减少了Mn2+的溶解。组装成的ZIBs在0.1 A g−1时具有最大比容量352.3 mAh g−1，在1.0 A g−1时的倍率性能为211.3 mAh g−1。此外，在1.0 A g−1下经过1000个循环后，容量仍保持在108.5 mAh g−1。研究还成功组装了一种柔性准固态ZIB，展现了其在便携式和可穿戴设备中的应用潜力。
图文导读
图1 2%Sn-MnOx/rGO纳米棒状复合材料的制备过程。通过超声搅拌将石墨烯粉末分散成溶液，然后依次加入SnCl2、MnSO4和KMnO4，形成2%Sn-MnO2前驱体。经过16小时的溶剂热反应，形成了2%Sn-MnOx/rGO前驱体，并通过600℃氮气氛围下焙烧3小时，得到最终产品。
图2 2%Sn-MnOx/rGO的XRD图谱，显示了材料的晶体结构和相组成。通过XPS分析了2%Sn-MnOx/rGO复合材料的表面元素组成和相关化学价态。
图3 2%Sn-MnOx/rGO在不同电流密度下的恒流充放电（GCD）曲线和循环性能，证明了其优异的倍率性能和循环稳定性。
图4 进一步研究了2%Sn-MnOx/rGO材料在反应过程中的动力学变化，通过循环伏安法（CV）和电化学阻抗谱（EIS）分析了电极反应的控制过程。
图5 通过原位XRD和XPS分析，探讨了2%Sn-MnOx/rGO在充放电过程中的能量存储机制。
图6 展示了基于2%Sn-MnOx/rGO的柔性准固态ZIB的结构和电化学性能，证明了其在柔性电子设备中的应用潜力。
小结
这项研究成功开发了一种新型的Sn掺杂MnOx/rGO复合材料，作为水系锌离子电池的正极材料，显著提高了电池的能量密度、循环稳定性和倍率性能。通过Sn的掺杂和rGO的涂层，不仅增强了材料的导电性，还提高了结构稳定性，减缓了Mn2+的溶解。此外，该材料在柔性准固态ZIB中的应用展示了其在可穿戴和便携式电子设备中的潜力。这项工作为高性能ZIBs的发展提供了新的思路和策略，对于推动清洁能源存储技术的进步具有重要意义。
文献：https://doi.org/10.1016/j.jpowsour.2024.235318
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