ASC NANO：基于V2CTX MXene原位生长MnO2纳米片的高性能锌离子电池

一、文章概述

锰基锌离子电池具有制备简单、成本低、安全性高等优点，是一种具有广阔应用前景的大规模可充电电池。然而，锰基阴极的低速率性能和循环性能差的难题阻碍了锰基阴极的商业应用。文章采用金属离子插层原位生长技术，在V2CTX MXene表面均匀形成MnO2纳米片，并设计合成了锰钒杂化阴极K -V2C@MnO2。K - V2C@MnO2具有高电导率、丰富的活性位点的杂化结构，以及Mn2+电沉积协同反应和MnO2结构损伤的抑制作用，对水中ZIBs表现出了优异的电化学性能。具体来说，在0.3 A g−1时表现出408.1 mAh g−1的高比容量，在10 A g−1的高电流密度下，在长达10000次的长期循环中保持119.2 mAh g−1的比容量。它优于几乎所有报道的锰基阴极水溶液中的ZIBs。其优异的电化学性能表明，文章所设计的锰基阴极材料是一种合理的方法，可用于高性能的ZIB阴极。

二、图文导读

图1所示.K -V2C@MnO2的合成图。(a) V、Al、c烧结得到的V2AlC MAX相的结构。(b) hf蚀刻得到的V2CTX MXene。(c)碱化V2CTX与K+离子的相互作用。(d) MnO2修饰的预碱化V2CTX通过模板效应和原位生长过程。

图2.(a) V2AlC MAX相和(b) kv2c相的SEM图像。(c) V、c、K对应的元素映射(d, e) K V2C@MnO2的SEM图像(f)V、C、Mn、O.对应的元素映射。(g) K−V2C@MnO2的HRTEM图像。(h)放大倍率更高的K−V2C@MnO2的HRTEM图像。

图3.(a)不同周期后，K−V2C@MnO2电极在0.3mV⁻¹的扫描速率下的CV曲线。(b)无MnSO4的K−V2C@二氧化锰、K−V2C@K−V2C@MnO2和δ-MnO2电极在0.3Ag⁻¹下的循环性能。(c)K−V2C@MnO2在0.3Ag⁻¹下的恒电流充放电曲线。(d)δ-MnO2和K−V2C@MnO2电极的速率性能。 (e)K−V2C@MnO2电极在不同电流密度下的恒电流充放电曲线。(f)δ-MnO2和K−V2C@MnO2电极在2.0Ag⁻¹条件下的长期循环性能。(g)K−V2C@MnO2在相当高的电流密度下的长期循环性能。(h)与报道的Mn基阴极相比，在不同电流密度下K−V2C@MnO2电极的比容量稳定。

图4.(a)K−V2C@MnO2电极在不同扫描速率下的CV曲线。(b)特定峰值电流下的logi和logv图。(c) kV2C@MnO2电极中电容容量和扩散控制容量的贡献比。(d) kV2C@MnO2和δ-MnO2在充放电状态下的GITT曲线和相应的离子扩散系数。(e)初始开路电位下K-V2C@MnO2和δ-MnO2阴极的Nyquist图(插图为拟合电阻抗谱的等效电路)。(f) δ-MnO2和V2C的带边位置。(g) δ-MnO2、V2C和MnO2- V2C的DOS。(h)计算Zn2+在MnO2 -V2C和δ-MnO2表面的吸收能。

综上所述，MnO2纳米片包覆层状V2CTX MXene的锰基正极材料有利于提高zib的比容量、倍率性能和循环寿命。采用K+离子插层再原位生长的策略，成功合成了先进K-V2C@MnO2杂化体，这是一种先进的锰钒复合锌离子存储阴极。物理表征和电化学研究k-V2C@MnO2电极具有相当的结构稳定性和较高的可逆性。此外，结合电分析、模拟计算、同步XANES和EXAFS技术，阐述了K V2C@MnO2电极的Zn2+插入/萃取机理和相变。与大多数现有的ZIBs阴极材料相比，K−V2C@MnO2具有导电衬底和高表面活性的优点，具有优异的速率性能、高容量和循环稳定性。具体来说，K−V2C@MnO2与Mn2+电沉积增强协同反应和二氧化锰抑制结构损伤，在0.3Ag−1下达到408.1mAhg−1的神奇容量，这是之前报道的锰阴极的最佳Zn2+容量。此外，即使在10Ag−1的相当高的速率下，K−V2C@MnO2在10000个循环后仍然保持了119.2mAhg−1的可实现容量。结果表明，K−V2C@MnO2是一种很有前途的高性能zib阴极材料。此外，这项工作不仅为进一步了解锌离子的插入过程提供了一条思路，而且为开发低成本、高可逆性、高稳定性和安全性的水电池提供了一种方法。

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