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復(fù)旦大學(xué)熊煥明教授團(tuán)隊(duì)在ChemSusChem期刊發(fā)文探討了Mn₃O₄納米顆粒原位生長(zhǎng)在由氮摻雜碳點(diǎn)所衍生的碳骨架上作為水系鋅離子電池正極材料的應(yīng)用，文章重點(diǎn)研究了氮摻雜碳點(diǎn)對(duì)電極材料的形貌控制、復(fù)合材料的電化學(xué)性能以及反應(yīng)機(jī)理，并對(duì)碳點(diǎn)在電化學(xué)儲(chǔ)能中的應(yīng)用前景做出了展望。

當(dāng)今社會(huì)高速發(fā)展對(duì)能源存儲(chǔ)與轉(zhuǎn)化提出了更高的要求，水系鋅離子電池憑借價(jià)格低廉、資源豐富、安全性好、環(huán)境友好等優(yōu)點(diǎn)成為下一代儲(chǔ)能體系的有力競(jìng)爭(zhēng)者。然而，經(jīng)過多年研究，還沒有合適的正極材料來匹配鋅負(fù)極和電解液體系，嚴(yán)重阻礙了鋅離子電池的實(shí)際應(yīng)用。近期Mn₃O₄以其豐富的儲(chǔ)量、較高的理論比容量和放電電壓而備受關(guān)注，但Mn₃O₄在循環(huán)過程中往往存在導(dǎo)電性差和體積膨脹大的問題，導(dǎo)致鋅離子電池中電極材料易粉化、結(jié)構(gòu)坍塌和容量迅速衰減。因此，研究者們提出利用碳包覆層策略來解決Mn₃O₄的關(guān)鍵問題和挑戰(zhàn)。研究發(fā)現(xiàn)碳包覆的Mn₃O₄復(fù)合材料具有較大的比表面積、優(yōu)良的導(dǎo)電性和循環(huán)穩(wěn)定性，但是過多地使用碳材料會(huì)導(dǎo)致比容量下降，過少則倍率性能不足。

鑒于此，復(fù)旦大學(xué)熊煥明教授團(tuán)隊(duì)在ChemSusChem期刊發(fā)文利用溶劑熱合成氮摻雜碳點(diǎn) (NCDs)構(gòu)建碳骨架，使Mn₃O₄納米顆粒在高溫下原位生長(zhǎng)形成Mn₃O₄/NCDs納米復(fù)合材料。基于碳點(diǎn)具有石墨核和豐富的官能團(tuán)(-COOH, -NH, -OH等)、各種缺陷和摻雜元素的非晶表面等優(yōu)點(diǎn)，使Mn₃O₄能夠和碳點(diǎn)緊密結(jié)合、提高導(dǎo)電性、控制復(fù)合材料生長(zhǎng)。該復(fù)合材料同時(shí)也具有豐富的官能團(tuán)，有利于其與水系電解液的接觸。Mn₃O₄納米顆粒緊密生長(zhǎng)在碳骨架上增強(qiáng)了其導(dǎo)電性和穩(wěn)定性，導(dǎo)致其在鋅離子電池中作為正極具有優(yōu)異的電化學(xué)性能。在100 mA g^-1的高電流密度下，Mn₃O₄/NCDs的容量為443.6 mAh g^-1，在1500 mA g^-1的大電流密度下，容量為123.3 mAh g^-1，具有優(yōu)秀的倍率性能。結(jié)果表明，碳點(diǎn)作為一種新型的碳納米材料，在用量很小的情況下就能對(duì)現(xiàn)有電極材料具有顯著的改良效果，使復(fù)合材料的比容量和倍率性能都得到理想的提升。

論文信息：

In-situ Growth of Mn3O4 Nanoparticles on Nitrogen-Doped Carbon Dots-Derived Carbon Skeleton as Cathode Materials for Aqueous Zinc Ion Batteries

Tian-Bing Song, Zun-Hui Huang, Xiao-Qing Niu, Xi-Rong Zhang, Ji-Shi Wei, Huan-Ming Xiong*

ChemSusChem

DOI:?10.1002/cssc.202102390

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