電紡核-殼型Mn3O4/碳纖維作為水性鋅離子電池的高性能陰極材料

2021-01-08 易絲幫

中南大學楊佔紅教授 Electrochim. Acta：電紡核-殼型Mn3O4/碳纖維作為水性鋅離子電池的高性能陰極材料

DOI:10.1016/j.electacta.2020.136155

採用同軸靜電紡絲技術，通過將Mn3O4納米粒子（NPs）包埋在中空碳纖維（Mn3O4@HCFs）中，製備了核-殼Mn3O4/碳（Mn3O4@C）雜化纖維。作為水性鋅離子電池（ZIBs）陰極，含12.7 wt%碳的Mn3O4@HCFs具有優異的倍率性能（0.3和2.0 A g-1時分別為215.8和115.7 mAh g-1）和良好的循環穩定性（1300個循環後，在電流密度為400 mA g-1時仍為225 mAh g-1）。Mn3O4@HCFs的核殼結構是其優異電化學性能的主要原因。Mn3O4納米粒子表面的碳骨架不僅可以緩解Mn3O4在放電過程中的體積膨脹，而且可以優化電極纖維內部的電子傳輸。此外，非晶碳殼還可以降低Mn3O4納米粒子在循環過程中的溶解。這項工作將為增強高功率可充電水性鋰離子電池錳基正極材料的性能提供一條新的技術途徑。

圖1.（a）Mn3O4@HCFs的製備過程示意圖。（b）Mn3O4、Mn3O4@HCFs-5.5、Mn3O4@HCFs-7.5、Mn3O4@HCFs-9、Mn3O4@HCFs-10.5的XRD圖譜。（c）Mn3O4樣品的FESEM圖像。（d）Mn3O4@PAN-7.5纖維的FESEM圖像。（e-h）Mn3O4@HCFs-5.5（e）、Mn3O4@HCFs-7.5（f）、Mn3O4@HCFs-9（g）和Mn3O4@HCFs-10.5（h）的FESEM圖像。

圖2.（a）Mn3O4的TEM圖像和Mn3O4指示區域的HRTEM圖像（b）。（c）Mn3O4@HCFs-7.5的TEM圖像和Mn3O4@HCFs-7.5指示區域的放大TEM圖像（d）。

圖3.（a）在前三個循環內以0.3 mV s-1的掃描速率測量的Mn3O4@HCFs-7.5電極的循環伏安曲線。（b）在100 mA g-1下，Mn3O4@HCFs-7.5電極在選定循環的充放電電壓曲線。（c）所有Mn3O4@HCFs樣品在500 mA g-1下的循環性能。（d）在0.3 A g-1至2 A g-1的不同電流密度下，所有Mn3O4@HCFs電極的速率性能。（e）Mn3O4@HCFs-7.5電極在400 mA g-1下的循環性能和庫倫效率。（f）Mn3O4@HCFs-7.5電極在1500 mA g-1下的循環性能和庫倫效率。

圖4.（a）在鋅離子電池的第一個循環中,原始/充電/放電狀態下的Mn3O4@HCFs-7.5的XRD。（b）第一次充電後Mn3O4@HCFs-7.5的HRTEM。（c）在鋅離子電池的第一個循環中，充電和（d）放電狀態下的Mn3O4@HCFs-7.5的Mn 2p XPS。

圖5.（a）Mn3O4@HCFs-7.5電極在不同掃描速率下的CV曲線。（b）在峰值電流處的Logi和logv圖。（c）在300 mA g-1下首次放電後，Mn3O4、Mn3O4@HCFs-5.5、Mn3O4@HCFs-7.5、Mn3O4@HCFs-9、Mn3O4@HCFs-10.5電極的電化學阻抗譜。（d）在低頻區中的Mn3O4、Mn3O4@HCFs-5.5、Mn3O4@HCFs-7.5、Mn3O4@HCFs-9、Mn3O4@HCFs-10.5電極的Z』和ω-1/2之間的線性關係。

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