NH4Br辅助合成MnO2纳米线/碳布阴极材料用于水系锌离子电池的性能优化与机制研究

本研究针对水系可充锌离子电池(ARZIB)中MnO2阴极材料导电性差、稳定性不足等问题，通过NH4Br辅助水热法在碳布上生长MnO2纳米线，系统探究了卤化物浓度对材料形貌和电化学性能的影响。结果表明1.2 mmol NH4Br合成的材料具有最优性能：电荷转移电阻(Rct)低至38.11 Ω，100次循环后库仑效率达98.79%，比容量达230 mAh g-1。该研究为开发高性能ARZIB阴极材料提供了新思路。

　　

随着全球对可持续能源存储需求的增长，水系可充锌离子电池(ARZIB)因其安全性高、成本低廉等优势成为锂离子电池的有力替代者。然而，作为ARZIB核心组分的MnO₂阴极材料面临导电性差、循环稳定性不足等挑战。尽管通过纳米结构设计和碳材料复合可改善性能，但卤化物添加剂对MnO₂多晶型调控的机制尚不明确，特别是Br^-的作用缺乏系统研究。

为解决这一问题，来自国内多所高校的联合研究团队在《Next Energy》发表了最新成果。研究人员采用水热法在180°C下5小时合成MnO₂纳米线/碳布复合材料，通过调控NH₄Br浓度（0.6-1.8 mmol）系统研究了Br^-对材料结构性能的影响。研究综合运用X射线衍射(XRD)、扫描电镜(SEM)、循环伏安(CV)和电化学阻抗谱(EIS)等技术，发现1.2 mmol NH₄Br合成的材料展现出最优异的电化学性能。

3. 结果与讨论
3.1 形貌与结构表征
SEM显示NH₄Br浓度显著影响MnO₂纳米线形貌：1.2 mmol时形成直径约60 nm的均匀纳米线网络，而过高浓度会导致纳米线团聚。XRD证实所有样品均为α-MnO₂相（hollandite结构），晶格参数随NH₄Br浓度增加而扩大，1.2 mmol样品结晶度最佳。

3.2 电化学性能
CV测试表明1.2 mmol样品具有最尖锐的氧化还原峰，对应最佳的Zn²⁺嵌入/脱出可逆性。恒流充放电显示该样品初始比容量达230 mAh g^-1（100 mA g^-1），100次循环后容量保持率达91.3%，库仑效率达98.79%。EIS分析揭示其电荷转移电阻(R_ct)最低（38.11 Ω），Zn²⁺扩散系数最高（3.40×10^-12 cm² s^-1）。

3.3 性能对比
与文献报道的MnO₂/rGO复合材料（164 mAh g^-1）和MnO₂/碳布（60 mAh g^-1）相比，本研究材料展现出显著优势。研究人员指出适度的NH₄Br浓度可优化纳米线生长动力学，扩大晶格间距促进离子传输，同时避免过量Br^-导致的副反应。

这项研究不仅证实NH₄Br是调控MnO₂纳米结构的有效添加剂，更揭示了卤素阴离子化学在电极材料设计中的关键作用。1.2 mmol NH₄Br合成的自支撑电极兼具高容量和优异循环稳定性，为开发新一代ARZIB提供了简单高效的材料解决方案。该成果对推动绿色能源存储技术发展具有重要实践意义。