日益電氣化的社會對高性能儲能器件提出了強烈的需求。 目前占主導(dǎo)地位的有機電解液充電電池普遍存在安全問題，這導(dǎo)致了鋅離子電池（ZIB）等本質(zhì)安全型水系充電電池在過去六年的蓬勃發(fā)展。 由于電極材料的低成本和廣泛可用性，使用 MnO2 陽極材料的 ZIB 引起了極大的興趣。 對此，人們在通過調(diào)整MnO2電極材料的形貌、微觀結(jié)構(gòu)和當量來不斷提高其重量容量領(lǐng)域做出了巨大的努力。 眾所周知，實際應(yīng)用更加關(guān)注電極材料的面積容量，這需要在高質(zhì)量負載下具有魯棒的重量性能。 然而，MnO2 幾乎是一種絕緣材料，減少質(zhì)量負載通常會導(dǎo)致整個電極的電荷轉(zhuǎn)移內(nèi)阻迅速降低。 就此而言，電物理性能迅速惡化，無法滿足實際應(yīng)用的要求。
中國石油研究院（華南）的學(xué)者證明，通過合理調(diào)整3D打印碳微晶格（），可以使超厚MnO2電極具有良好的失重能力。 由石墨烯和碳納米管 (CNT) 制成的 通過直接墨水 3D 打印和低溫溶液制備。 3D 打印可實現(xiàn) 的周期性結(jié)構(gòu)，而熱溶液有助于生成高導(dǎo)電性且無缺陷的表面。 由于這種結(jié)構(gòu)優(yōu)勢，均勻的電場分布和推進的 MnO2 沉積在 上是允許的。 盡管在28.4 mgcm-2的高質(zhì)量負載和高離子轉(zhuǎn)移動力學(xué)下，在上負載MnO2的最佳電極也可以實現(xiàn)創(chuàng)紀錄的高比容量282.8 mAhg-1，這反過來又協(xié)調(diào)了負載質(zhì)量和重量性能。 因此，基于MnO2負載的的水性ZIB比之前報道的大多數(shù)ZIB具有更優(yōu)越的性能。 這項研究闡明了活性材料和電器之間相互作用的重要作用，為設(shè)計高性能儲能設(shè)備提供了替代策略。 相關(guān)文章發(fā)表在“--Ion”標題下。
論文鏈接：
圖 1.a) 制備的 、碳布和鈦網(wǎng)的照片。 b) 在 0.?2 下的表面電壓分布模擬。 c) Mn2+在、碳布和Ti網(wǎng)表面的吸附能和電荷差密度模擬。 d) MnO2 在 、碳布和鈦網(wǎng)收集器上電沉積的計時電位法。 e) 、碳布和 Ti 網(wǎng)在 MnO2 鍍鎳溶液中的奈奎斯特圖：0.1 m 4H2O 和 0.1 m。 f) 不同電沉積周期（80 秒和 200 秒）下 、碳布和鈦網(wǎng)器具上電沉積 MnO2 的掃描電子顯微鏡 (SEM) 圖像。
圖 2.a) 的 XRD 圖譜。 b) Mn3s 和 c) 的頻域 XPS 譜。 d) 的遠視圖和 e–g) 橫截面 SEM 圖像
圖 3. ZIB 中 、碳布 MnO2 和 Ti 網(wǎng)狀 MnO2 電極的電物理性質(zhì)：a) 掃描速率為 0.1 mVs?1 時的 CV 曲線； b) 奈奎斯特圖； c) 基于放電質(zhì)量容量和放電率性能的面積容量。 d）放電質(zhì)量容量和e）具有不同MnO2質(zhì)量負載的ZIB中電極的放電面積容量（插圖反映了線性關(guān)系）。 f) ZIB 中 陽極與其他錳基陽極的電物理性能比較。
圖 4.a) 具有不同 MnO2 質(zhì)量負載的 電極的奈奎斯特圖（插圖比較 Rct 值）。 b) 放電過程中ZIB中MnO2質(zhì)量負載為9.2 mgcm-2時電極的GITT曲線和相應(yīng)的D值。 ZIB 中 MnO2 質(zhì)量負載為 9.2 mgcm?2 時 電極的電物理動力學(xué)：c）不同掃描速度下的 CV 曲線； d) 四個峰值處的 logi 與 logv 圖； e) 相應(yīng)的電容貢獻率。 f) 0.?2 表面電壓分布模擬
圖 5. 的儲能機制和結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變：a）各種放電/充電狀態(tài)下的異位 XRD 圖； b) 放電/充電期間的原位拉曼光譜； c) 原始狀態(tài)、完全放電狀態(tài)和完全充電狀態(tài)的異位SEM圖像； d) 完全放電狀態(tài)的 EDS 圖； 非原位高幀速率 e) Zn2p 和 f) O1s 原始狀態(tài)、完全放電狀態(tài)和完全充電狀態(tài)的 XPS 譜。
事實上，這項研究已經(jīng)成功地通過協(xié)調(diào)了MnO2陽極的高質(zhì)量負載和優(yōu)異的電物理性能。 合理設(shè)計的3D復(fù)制結(jié)構(gòu)同時結(jié)合了周期性結(jié)構(gòu)和缺陷碳表面的優(yōu)點，從根本上促進了MnO2的電物理沉積。 在不影響重量分析性能的情況下，實現(xiàn)了 28.4 mgcm-2 的顯著負載質(zhì)量，從而在 0.1 mAcm-2 下獲得了 8.04 -2 的極高外觀容量，優(yōu)于大多數(shù)以前的報告。 優(yōu)異的性能可歸因于均勻的電場分布以及與活性材料之間的增強相互作用，這分別是通過周期性結(jié)構(gòu)和缺陷表面實現(xiàn)的。 這項工作可能為理解3D打印框架作為家用電器的作用提供另一個視角，并拓寬增材制造技術(shù)在高性能儲能設(shè)備中的應(yīng)用。 （文字：SSC）
