近日,我院杨泽&余颖团队联合中科大林岳&韩霄团队在水系锌离子电池正极研究领域取得新进展,相关成果以“Deciphering Anomalous Zinc Ions Storage in Intermediate State MnO2 of Layer-to-Tunnel Transition”为题发表于国际知名期刊Energy & Environmental Science(中科院一区TOP, IF: 32.4)。新(普京)澳门娱乐场网站8883为第一完成单位,论文的第一作者是新(普京)澳门娱乐场网站8883的博士生李小惠。
(详见:https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2024/ee/d4ee03293d)
MnO2具有较低的成本、可观的容量和丰富的结构(如:α、β、γ、δ等),被认为是水系锌离子电池(AZIBs)最有前途的正极材料。然而,无论是何种结构的MnO2正极,其结构稳定性一直受到Jahn-teller(J-T)效应的影响。传统的MnO2结构中,[MnO6]结构单元是一个高度对称的八面体,这使得中心Mn4+的3d轨道分裂为双重简并的eg和三重简并的t2g轨道。对于高自旋态的Mn3+,由于电子占据不对称,双重简并的eg轨道需要去简并,导致[MnO6]八面体沿z轴拉伸变形(J-T畸变)。在循环过程中,Mn3+和Mn4+之间的反复变换使晶格发生周期性的膨胀和收缩,最终导致结构崩塌。因此,传统MnO2结构中规则的[MnO6]八面体是J-T效应和结构崩塌的根本原因。为解决这一问题,本文报道了一种层状向隧道状结构相变中间态的MnO2(IS-MnO2),该结构存在丰富的两相过渡区,导致界面区域的晶格发生畸变,[MnO6]八面体单元变形,Mn离子的平均价态降低。[MnO6]八面体的变形降低了配体场的几何对称性,从而消除了中心Mn离子的3d轨道简并,有效地避免了Mn3+的J-T效应,增强了正极循环稳定性;低价态的Mn离子降低了离子嵌入/脱出过程中的静电斥力,有效地提高了电池倍率性能。该工作为消除材料的J-T效应提供了新的思路。
研究工作得到中央高校基本科研业务费项目、国家重点研究与发展计划项目和国家自然科学基金的资助。
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通讯员|杨 泽
责 编|孟晨轩
审 校|俞云伟