柠檬酸改性α-MnO2 负极材料提升水系锌离子电池循环稳定性

《International Journal of Molecular Sciences》：Electrochemical Performance of Citric Acid-Modified α-MnO2 Cathode for Aqueous Zinc-Ion Batteries

　　

摘要

水性锌离子电池（AZIBs）由于其固有的安全性、低成本和环保性，被认为在大规模储能方面具有广阔的应用前景。α-MnO₂由于其独特的2 × 2隧道结构，被认为是锌离子电池中最有前途的负极材料之一；然而，由于Mn³⁺的不均匀反应和溶解以及结构崩塌，其循环稳定性较差。在这项研究中，通过在水热法中将柠檬酸引入前驱体溶液中制备了α-MnO₂，得到了MnO₂@CA负极材料。实验结果表明，柠檬酸改性并未改变α-MnO₂的主要晶体结构，SEM图像显示原始样品和改性样品均呈现纳米棒形态。电化学测试表明，在0.5 A·g^?1的电流密度下经过100次循环后，MnO₂@CA电极的放电比容量仍约为200 mAh·g^?1，容量保持率约为90%，而原始的α-MnO₂电极的放电比容量下降到约75 mAh·g^{?1?1的电流密度下，MnO₂@CA的比容量高于原始α-MnO₂，并且在电流密度恢复到0.1 A·g?1后，其容量恢复能力也更好。在高速率下，由于低速激活后的固态扩散/浓度极化作用，电极的性能有所限制，但长期循环稳定性显著提高。动力学分析表明，电极反应过程主要受扩散控制，电容贡献随扫描速率的增加而单调增加（从约7%增加到19%），但与扩散贡献相比仍占较小比例。研究提出，柠檬酸改性通过螯合作用稳定Mn离子，从而抑制Mn的溶解并减轻结构应力，有效提升了α-MnO₂负极的循环稳定性和低速放电容量。}