【摘 要】
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随着新能源汽车、便携式电子设备、储能设施等技术的不断发展,对安全环保、高性能的储能器件提出了更严格的要求。由于金属锌阳极具有理论能量密度高、氧化还原电势较低、储量丰富等优势,所以本质上安全环保的水系锌离子电池成为了可供选择的储能元件之一。然而锌金属阳极表面锌的垂直生长会导致隔膜失效,严重限制下一代锌离子电池的进一步发展。目前主要有集流体的设计、电解液工程、界面优化等策略来抑制锌枝晶的不可控生长。集
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随着新能源汽车、便携式电子设备、储能设施等技术的不断发展,对安全环保、高性能的储能器件提出了更严格的要求。由于金属锌阳极具有理论能量密度高、氧化还原电势较低、储量丰富等优势,所以本质上安全环保的水系锌离子电池成为了可供选择的储能元件之一。然而锌金属阳极表面锌的垂直生长会导致隔膜失效,严重限制下一代锌离子电池的进一步发展。目前主要有集流体的设计、电解液工程、界面优化等策略来抑制锌枝晶的不可控生长。集流体的设计可以从锌的形核阶段抑制枝晶的不可控生长,但是设计高性能的锌阳极集流体仍然存在很大挑战。本文通过电纺技术制备了锰原子掺杂的柔性自支撑的碳纳米纤维（CNFs-Mn）薄膜用作锌金属负极集流体,锰原子含量为9.62 wt%。通过XPS和XANES测试方法得知锰原子在CNFs-Mn中与四个氮原子和两个氯原子进行配位,构成八面体活性位点。锰八面体活性位点使得碳基体与锌之间的相互作用力显著提高,从而显著降低锌的吸附能垒。CNFs-Mn薄膜也具有优异的锌负载能力,在面容量高达46 m Ah cm-2时,电镀的锌易燃光滑致密、没有枝晶生成。因此,基于CNFs-Mn阳极的CNFs-Mn//Zn、Zn@CNFs-Mn//Zn@CNFs-Mn、Mn O2//Zn@CNFs-Mn电池中均显示出良好的循环性能。当电流为5 m A cm-2时,CNFs-Mn//Zn电池能够稳定循环460圈,伴随99%以上的库伦效率;Zn@CNFs-Mn//Zn@CNFs-Mn电池在10m A cm-2的电流下循环600圈维持仅为106 m V的滞后电压。Mn O2//Zn@CNFs-Mn全电池工作1400次依旧拥有124 m Ah g-1的容量(在1 A g-1下),比容量保留接近100%,表现出良好的实际应用能力。本文为锌金属电池阳极集流体材料的发展提供了一种新的思路。
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