日益電氣化的社會(huì)對(duì)高性能儲(chǔ)能器件提出了強(qiáng)烈的需求。 目前占主導(dǎo)地位的有機(jī)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(yáng)極材料的 ZIB 引起了極大的興趣。 對(duì)此，人們?cè)谕ㄟ^調(diào)整MnO2電極材料的形貌、微觀結(jié)構(gòu)和當(dāng)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(shí)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(fù)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(fù)載通常會(huì)導(dǎo)致整個(gè)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(shí)際應(yīng)用的要求。

中國(guó)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(shí)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(shì)，均勻的電場(chǎng)分布和推進(jìn)的 MnO2 沉積在 上是允許的。 盡管在28.4 mgcm-2的高質(zhì)量負(fù)載和高離子轉(zhuǎn)移動(dòng)力學(xué)下，在上負(fù)載MnO2的最佳電極也可以實(shí)現(xiàn)創(chuàng)紀(jì)錄的高比容量282.8 mAhg-1，這反過來又協(xié)調(diào)了負(fù)載質(zhì)量和重量性能。 因此，基于MnO2負(fù)載的的水性ZIB比之前報(bào)道的大多數(shù)ZIB具有更優(yōu)越的性能。 這項(xiàng)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(jì)高性能儲(chǔ)能設(shè)備提供了替代策略。 相關(guān)文章發(fā)表在“--Ion”標(biāo)題下。

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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(jì)時(shí)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(yuǎn)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(shí)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(fù)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(yáng)極與其他錳基陽(yáng)極的電物理性能比較。

圖 4.a) 具有不同 MnO2 質(zhì)量負(fù)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(fù)載為9.2 mgcm-2時(shí)電極的GITT曲線和相應(yīng)的D值。 ZIB 中 MnO2 質(zhì)量負(fù)載為 9.2 mgcm?2 時(shí) 電極的電物理動(dòng)力學(xué)：c）不同掃描速度下的 CV 曲線； d) 四個(gè)峰值處的 logi 與 logv 圖； e) 相應(yīng)的電容貢獻(xiàn)率。 f) 0.?2 表面電壓分布模擬

圖 5. 的儲(chǔ)能機(jī)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(shí)上，這項(xiàng)研究已經(jīng)成功地通過協(xié)調(diào)了MnO2陽(yáng)極的高質(zhì)量負(fù)載和優(yōu)異的電物理性能。 合理設(shè)計(jì)的3D復(fù)制結(jié)構(gòu)同時(shí)結(jié)合了周期性結(jié)構(gòu)和缺陷碳表面的優(yōu)點(diǎn)，從根本上促進(jìn)了MnO2的電物理沉積。 在不影響重量分析性能的情況下，實(shí)現(xiàn)了 28.4 mgcm-2 的顯著負(fù)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(bào)告。 優(yōu)異的性能可歸因于均勻的電場(chǎng)分布以及與活性材料之間的增強(qiáng)相互作用，這分別是通過周期性結(jié)構(gòu)和缺陷表面實(shí)現(xiàn)的。 這項(xiàng)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(gè)視角，并拓寬增材制造技術(shù)在高性能儲(chǔ)能設(shè)備中的應(yīng)用。 （文字：SSC）