豊富な欠陥を持つ超微細MnO2ナノワイヤの開発と亜鉛イオン電池の高性能化に向けて

Superfine MnO2 Nanowires with Rich Defects Toward a Boosted Zinc Ion Storage Performance.

• Jinjin Wang
• Jian-Gan Wang
• Xueping Qin
• Yian Wang
• Zongyuan You
• Huanyan Liu
• Minhua Shao

抄録

亜鉛イオン電池の正極材料としてのMnO2の課題は、電気化学的な運動性と安定性に乏しいことです。ここでは、豊富な結晶欠陥（酸素空孔と空洞）を持つMnO2超微細ナノワイヤー（〜10nm）が、高効率の亜鉛イオン貯蔵能力を持つことを実証しました。実験・理論研究の結果、欠陥が水素/亜鉛の吸着・拡散を促進し、イオンの高速輸送を促進し、局所的な電場を形成して電子の移動を改善することを明らかにしました。さらに、超微細ナノ構造は、MnO2の容量と反応速度をさらに向上させるために十分な活性部位と短い拡散経路を提供することができた。驚くべきことに、欠陥強化MnO2ナノワイヤは406Wh kg-1という高いエネルギー密度と、1000サイクル以上の耐久性を示し、顕著な容量劣化は見られなかった。メカニズム解析の結果、硫酸亜鉛水酸化物水和物ナノフレークの同時析出・溶解と同時に、H+とZn2+の可逆的な共挿入・共抽出プロセスが存在することが明らかになった。本研究は、亜鉛イオン電池の高性能化に向けた先進的なMnO2材料の開発に向けて、欠陥工学やナノ構造の基礎的な理解を深めることにつながると考えられます。

The core challenge of MnO2 as the cathode material of zinc-ion batteries remains to be their poor electrochemical kinetics and stability. Herein, MnO2 superfine nanowires (~10nm) with rich crystal defects (oxygen vacancies and cavities) are demonstrated to possess high efficient zinc-ion storage capability. Experimental and theoretical studies demonstrate that the defects facilitate the adsorption and diffusion of hydrogen/zinc for fast ion transportation and the build of local electric field for improved electron migration. In addition, the superfine nanostructure could provide sufficient active sites and short diffusion pathways for further promotion of capacity and reaction kinetics of MnO2. Remarkably, the defect-enriched MnO2 nanowires manifest an energy density as high as 406 Wh kg-1 and an excellent durability over 1000 cycles without noticeable capacity degradation. Mechanistic analysis substantiates a reversible co-insertion/extraction process of H+ and Zn2+ with a simultaneous deposition/dissolution of zinc sulfate hydroxide hydrate nanoflakes. This work could enrich the fundamental understandings of defect engineering and nanostructuring on the development of advanced MnO2 materials toward high-performance zinc-ion batteries.