基于吸附机制的环境友好水系锌离子电池，哈工大田艳红教授团队ChemSuSChem：Se掺杂rGO抑制水系锌离子电池阴极元素溶解

能源

2025-04-16

研究背景

基于Mn基硫属化合物阴极的水系锌离子电池（AZIB）具有高比容量，在未来储能系统中具有很大的应用前景。然而，这一阴极材料面临着Mn溶解和硫属化物分解的挑战，不仅会降低电池性能，还会引发环境问题。尽管此前的报道显示还原氧化石墨烯（rGO）的掺杂已显示出缓解这些问题的潜力，但其潜在机制尚不清楚。近日，哈工大材料结构精密焊接与连接全国重点实验室田艳红教授（通讯作者）在ChemSuSChem上发表了针对Mn³⁺和Se²⁻溶解和析出问题的最新研究进展。研究采用rGO为导电骨架，实现MnSe纳米颗粒在充放电过程中的电极结构完整性保持，合成出MnSe@rGO复合材料。研究表明Se掺杂的rGO有效抑制了Mn的溶解并防止了循环过程中的Se损失，从而保持了阴极的完整性并最大限度地减少了Zn阳极的腐蚀。该研究的机理研究为锰硫属化物在环境友好型AZIBs中的实际应用提出了一种具有前景的解决方案并深入阐明了其背后的科学机制。

工作介绍

在本研究中，MnSe@rGO被用作正极材料，并系统地研究了rGO掺杂构型对抑制Se逸出和Mn溶解的影响。非原位表征和第一性原理计算的结果表明，Se掺杂的rGO显著减少了电化学循环过程中的Mn溶解和Se挥发，从而保持了电极材料结构完整性并减轻了Zn阳极的腐蚀。此外，第一性原理计算表明，Se掺杂的rGO对Mn离子表现出高吸附亲和力，有助于提高结构稳定性并最大限度地减少副反应。

图1 （a） MnSe@rGO合成路径示意图。（b-d）MnSe@rGO复合材料的形态。（e） MnSe@rGO复合材料的面扫能谱，红色为C，蓝色为Mn，黄色为Se。（f）MnSe和MnSe@rGO样品的XRD图谱。（g） MnSe和MnSe@rGO的拉曼光谱。（h-j）复合材料的高分辨率XPS光谱。

图2 （a）MnSe阴极和（b）MnSe@rGO阴极放电后的SEM图像。（c）MnSe和MnSe@rGO材料在150次充放电循环后和纯Zn箔的XPS光谱。（d-f）MnSe电池中Zn负极在150次循环后的SEM图像和高分辨率XPS光谱。（g-i）MnSe@rGO电池中Zn负极在150次循环后的SEM图像和高分辨率XPS光谱。

为了验证Se掺杂rGO对抑制元素溶解的影响，比较了循环前后的Zn阳极表面。图2a和b显示了放电后MnSe和MnSe@rGO阴极的形态。MnSe电极表现出垂直生长的纳米片的连续结构，这会导致电极结构的不稳定性以及刺穿隔膜和破坏结构完整性的风险。相比之下，MnSe@rGO电极表面呈现光滑的颗粒附着物，没有明显的尖锐突起，这可以归因于掺入rGO的表面限域效应，有望显著提高材料的结构稳定性。图2c显示了MnSe和MnSe@rGO阴极对应的Zn阳极在150次充放电循环后与原始Zn箔的XPS光谱对比数据。MnSe@rGO电池中Zn阳极的光谱与纯Zn箔的光谱非常相似，未检测到可见的Mn或Se特征峰。相比之下，MnSe电极的Zn阳极上出现了Mn和Se的峰，表明MnSe结构在长循环过程中发生了分解。图2d-i的物相对比也显示，Mn³⁺和Se²⁻的释放主要来自未经包覆的MnSe阴极，而经过rGO包覆的MnSe@rGO电池中Zn阳极上则不存在Mn和Se沉积。

结论

作者报道了一种新型MnSe@rGO复合材料，并证明了rGO在抑制AZIBs的MnSe基阴极中Mn溶解和Se损失中起着至关重要的作用。通过作为导电和增稳结构，rGO增强了MnSe纳米颗粒的结构完整性，从而改善了电化学性能，包括增加比容量、延长循环寿命以及在高电流密度下更好的稳定性。非原位表征和第一性原理计算表明，Se掺杂rGO对Mn³⁺和Se²⁻具有很强的吸附亲和力，有助于最大限度地减少这些活性物质在循环过程中的溶解和分解，从而减少副反应并防止Zn阳极腐蚀。这些发现明确了rGO在解决与锰硫属化物阴极相关的关键挑战方面的重要性，为它们在可持续和环保的 AZIBs 中的实际应用提供了重要的理论指导。

期刊简介

《ChemSusChem》发表以化学为核心、在可持续性研究各个领域具有影响力的科研成果，包括绿色合成与化学、能源储存与转化以及材料升级回收等方向。该期刊涵盖范围广泛，涉及可再生能源与材料、碳捕获与转化、氢能、环境化学、可持续催化以及绿色化学的所有方面。