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Zn/δ-MnO2
Studyontheeffectofionpre-embeddingon
theperformanceofaqueousZn/δ-MnOion
2
Zn/δ-MnO2
目前，环境污染、能源短缺问题日益严重，研发新型、有效的储能装置迫在
眉睫。水系锌离子电池以水溶液作为电解质溶液，安全、环保且离子电导率高，
其封装工艺在空气中就可以进行，便捷、成本较低，加之金属锌资源丰富、理论
容量高，受到科研工作者的广泛关注，有望替代锂离子电池成为下一代储能装置。
水系锌离子电池的负极材料一般采用高理论容量的金属锌，因此，正极材料才是
影响其电化学性能的关键因素。与众多正极材料相比，MnO成本低、工作电压
2
高、理论容量高、环境友好、无污染，一直被认为是理想型正极材料，特别是层
状结构的δ-MnO。然而，δ-MnO作为正极材料存在锰溶解、结构不稳定、容量
22
达不到理论容量、电荷存储机制有争议等问题。目前，有元素掺杂、材料复合、
缺陷工程、预嵌入等改性措施。其中离子预嵌入是一种行之有效的改性方法，研
究表明，对δ-MnO2层间预先嵌入离子，可以增强层间结构，提升电池的电化学
性能，并且多种离子预嵌入要比单个离子预嵌入更能对电池的电化学性能进行优
化。但是，目前的研究大多数是对δ-MnO2进行单个离子的预嵌入，对δ-MnO2进
行多种离子预嵌入的研究还不是很多，而且其中的机制尚未清楚。基于此，本论
文选取δ-MnO作为水系锌离子电池的正极材料，采用离子预嵌入的策略来提升
2
其电化学性能。具体研究内容如下：
3+
（1）Al预嵌入对水系Zn/δ-MnO离子电池的性能影响研究。
2
鉴于δ-MnO的实际容量远远低于理论容量，本论文选用带三个电荷的Al3+
2
作为预嵌入离子，因为多电荷可以形成更强的电场，携带更多的水，以溶剂化的
3+
方式进入材料层间，从而尽可能大的扩大层间距。因此，通过水热法将Al预先
δ-MnOAl-δ-MnOAl3+001
嵌入2层间，即制备得到2。由于的预先嵌入，使得其（）
晶面的晶面间距扩大到0.74nm，便于离子进行嵌入/脱出，提高了离子的运输速
率，增强了电导率。电化学测试结果表明，在0.1Ag-1的电流密度下，Al-δ-MnO2
-1
具有215.7mAhg的高容量，较δ-MnO提高了38.6%，并且拥有着更好的倍率
2
性能。
3+2+
（2）Al、Mg共同预嵌入对水系Zn/δ-MnO离子电池的性能影响研究。
2
Al3+δ-MnO
鉴于预嵌入策略虽然提高了2的容量，但容量保持率不高、循环
稳定性不佳，本论文进一步研究了两种离子预嵌入对电池性能的影响。首先，考
I
Al3+
虑到的预嵌入可能使得层间距过大，层状结构不稳定，进而容量保持率不高，
2+
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