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成果簡介

利用Mn²⁺/MnO₂氧化還原反應（ORR）的錳（Mn）基水系電池因其高理論比容量、高功率容量、低成本和與水基電解質的高安全性，而成為電網規模儲能的有希望的選擇。然而，這種系統的應用受到沉積MnO₂的絕緣性質的阻礙，導致在充/放電循環期間低歸一化面積負載量（0.005-0.05 mAh cm^-2）?；诖?，斯坦福大學崔屹教授等人報道了各種MnO₂多晶在Mn²⁺/MnO₂氧化還原反應中的電化學性能，并確定了低電導率的?-MnO₂是正常酸性水電解質中的主要電化學沉積相。研究發現，溫度升高可使沉積相由低電導率的?-MnO₂轉變為電導率提高2個數量級的γ-MnO₂。

研究表明，高導電性的γ-MnO₂可以有效地用于超高面積負載電極，并實現了33 mAh cm^?2的歸一化面積負載量。在50 °C的溫和溫度下，電池以20 mAh cm^-2的超高面負荷量（比以前的研究高1-2個數量級）循環200多次，只有13%的容量損失。

研究背景

基于水基電解質的水系可再充電電池，由于其環保、低成本、高功率等優點，具有廣泛的應用前景。在各種水系電池化學反應中，Mn基氧化還原反應（ORR）引起了廣泛的關注。Mn在水溶液中具有多種可用的價態，包括Mn(0)、Mn(II)、Mn(III)、Mn(IV)和Mn(VII)。其中，Mn²⁺/MnO₂具有高電極電位、高理論容量等優點，各種類型的具有Mn²⁺/MnO₂?ORR的水系電池被大量報道用于電網規模儲能，如Mn-H₂、Mn-Zn等。Mn²⁺/MnO₂電極的溶解/沉淀反應路徑（Eq. 1）：

在充電時，可溶性Mn²⁺被氧化成固體MnO₂，并沉積在集電器上，但最大比面積載荷最終受到MnO₂電子導電性差的限制，在高速循環時可能會成問題。高度可逆的Mn²⁺/MnO₂電極通常需要多孔、高表面積和導電的基底，在基底上只沉積一層薄薄的MnO₂，以縮短電子傳遞距離，從而保證電極反應的可逆。在Mn²⁺/MnO₂電極中實現高負載是實現實際應用的一個挑戰。

多態，即固體材料結晶成具有相同化學計量的各種晶體結構的能力，為材料的功能調節增加了另一個維度。MnO₂是一種被廣泛研究的多晶無機材料，用于催化、海水淡化和儲能等領域，其特點是具有不同排列的邊或角-共享[MnO₆]八面體單元。

圖文導讀

MnO₂的傳統多晶型包括α-、β-、γ-、δ-、?-和λ-MnO₂，它們在MnO₆八面體之間的相互連接方式不同，導致通道或具有不同大小間隙的夾層。作者合成了六種MnO₂多晶體，δ-、?-、λ-MnO₂的電導率在2 mS m^-1左右，而α-、β-和γ-MnO₂的電導率要高2個數量級。其中，β-MnO₂的電導率最高，比容量為616.0 mAh g^-1_MnO2，而?-MnO₂的比容量僅為217.3 mAh g^-1_MnO2。

圖1.水系電解質中?-、γ-和β-MnO₂基正極的電化學性能

圖2.水系電解質中電化學沉積MnO₂的主相

在不同的溫度下，循環電池可以改變沉積的MnO₂多晶結構。當溫度從25 ℃升高到90 ℃時，沉積相中出現了由?-MnO₂向γ-MnO₂的轉變。在50 ℃時，沉積有?-MnO₂和γ-MnO₂的混合物，而在90℃時僅沉積有γ-MnO₂。在相應的XRD譜圖中，Mo源在2θ=10.00^o處峰強度增大，Mo源在2θ=29.40^o處峰強度減小，符合這種晶體轉變。在不同溫度下沉積的MnO₂的形態變化如圖3d-g所示，從25 ℃的圓形顆粒到更高溫度下更偏向針狀的整體結構。

圖3.電化學沉積MnO₂相的溫度依賴性

在25 ℃和75 ℃條件下，電池進行第10次循環的充/放時，在75 ℃下，總充電容量約為35 mAh cm^-2，放電容量為33 mAh cm^-2；在25 ℃下的充電容量為0.02 mAh cm^-2，放電容量為0.01 mAh cm^-2。作者觀察到MnO₂的面質量負荷增加了2000倍。在75 ℃下，作者對電池充電以沉積更導電的γ-MnO₂，然后將電池冷卻到室溫進行放電。對比75℃下循環電池的庫倫效率（CE），獲得了相當的CE（75.7% vs. 81.5%），而在25 ℃下充/放電的電池的CE僅為15.7%。結果表明，更有利的晶型的電導率增加對CE的增加有很大的貢獻，同時在較寬的電流密度范圍內，MnO₂的面負載量保持了2-3個數量級的增長。

圖4.超高面積負載MnO₂電極

在50 ℃時，作者在Mn-H₂電池環境中測試了電池性能。室溫無相位調節時，MnO₂的放電容量為0.51 mAh cm^-2，而相位調節（50 ℃）后的放電容量為23.4 mAh cm^-2，MnO₂的面積負荷增加了兩個數量級。兩個電池在1.6 V下充電至20 mAh cm^-2，在25 ℃下電流密度為200 mA cm^-2時放電容量僅為0.15 mAh cm^-2，大大低于50 ℃下17.7 mAh cm^-2。放電后，在25 ℃下仍有大量MnO₂沉積，而在50 ℃下幾乎沒有MnO₂沉積。對比25 ℃下的296次循環，在50 ℃下的循環壽命延長了450次。在濃度為3 mol L^-1的Mn²⁺電解液中，可以實現20 mAh cm^-2的高面容量負載，循環壽命超過200次，容量損失僅為13%。值得注意的是，在使用傳統分離器的Mn²⁺/MnO₂基水系電池中，已前沒有類似的高面負荷的報道。

圖5.基于溫度相關MnO₂調節的循環性能

文獻信息

Ultrahigh-loading Manganese-based Electrode for Aqueous Battery via Polymorph Tuning.?Adv. Mater.,?2023, DOI: https://doi.org/10.1002/adma.202211555.

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