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一、文章概述

錳基鋅離子電池具有制備簡單、成本低、安全性高等優(yōu)點(diǎn)，是一種具有廣闊應(yīng)用前景的大規(guī)模可充電電池。然而，錳基陰極的低速率性能和循環(huán)性能差的難題阻礙了錳基陰極的商業(yè)應(yīng)用。文章采用金屬離子插層原位生長技術(shù)，在V2CTX MXene表面均勻形成MnO2納米片，并設(shè)計(jì)合成了錳釩雜化陰極K -V2C@MnO2。K - V2C@MnO2具有高電導(dǎo)率、豐富的活性位點(diǎn)的雜化結(jié)構(gòu)，以及Mn2+電沉積協(xié)同反應(yīng)和MnO2結(jié)構(gòu)損傷的抑制作用，對水中ZIBs表現(xiàn)出了優(yōu)異的電化學(xué)性能。具體來說，在0.3 A g−1時(shí)表現(xiàn)出408.1 mAh g−1的高比容量，在10 A g−1的高電流密度下，在長達(dá)10000次的長期循環(huán)中保持119.2 mAh g−1的比容量。它優(yōu)于幾乎所有報(bào)道的錳基陰極水溶液中的ZIBs。其優(yōu)異的電化學(xué)性能表明，文章所設(shè)計(jì)的錳基陰極材料是一種合理的方法，可用于高性能的ZIB陰極。

二、圖文導(dǎo)讀

圖1所示.K -V2C@MnO2的合成圖。(a) V、Al、c燒結(jié)得到的V2AlC MAX相的結(jié)構(gòu)。(b) hf蝕刻得到的V2CTX MXene。(c)堿化V2CTX與K+離子的相互作用。(d) MnO2修飾的預(yù)堿化V2CTX通過模板效應(yīng)和原位生長過程。

圖2.(a) V2AlC MAX相和(b) kv2c相的SEM圖像。(c) V、c、K對應(yīng)的元素映射(d, e) K V2C@MnO2的SEM圖像(f)V、C、Mn、O.對應(yīng)的元素映射。(g) K−V2C@MnO2的HRTEM圖像。(h)放大倍率更高的K−V2C@MnO2的HRTEM圖像。

圖3.(a)不同周期后，K−V2C@MnO2電極在0.3mV⁻¹的掃描速率下的CV曲線。(b)無MnSO4的K−V2C@二氧化錳、K−V2C@K−V2C@MnO2和δ-MnO2電極在0.3Ag⁻¹下的循環(huán)性能。(c)K−V2C@MnO2在0.3Ag⁻¹下的恒電流充放電曲線。(d)δ-MnO2和K−V2C@MnO2電極的速率性能。 (e)K−V2C@MnO2電極在不同電流密度下的恒電流充放電曲線。(f)δ-MnO2和K−V2C@MnO2電極在2.0Ag⁻¹條件下的長期循環(huán)性能。(g)K−V2C@MnO2在相當(dāng)高的電流密度下的長期循環(huán)性能。(h)與報(bào)道的Mn基陰極相比，在不同電流密度下K−V2C@MnO2電極的比容量穩(wěn)定。

圖4.(a)K−V2C@MnO2電極在不同掃描速率下的CV曲線。(b)特定峰值電流下的logi和logv圖。(c) kV2C@MnO2電極中電容容量和擴(kuò)散控制容量的貢獻(xiàn)比。(d) kV2C@MnO2和δ-MnO2在充放電狀態(tài)下的GITT曲線和相應(yīng)的離子擴(kuò)散系數(shù)。(e)初始開路電位下K-V2C@MnO2和δ-MnO2陰極的Nyquist圖(插圖為擬合電阻抗譜的等效電路)。(f) δ-MnO2和V2C的帶邊位置。(g) δ-MnO2、V2C和MnO2- V2C的DOS。(h)計(jì)算Zn2+在MnO2 -V2C和δ-MnO2表面的吸收能。

綜上所述，MnO2納米片包覆層狀V2CTX MXene的錳基正極材料有利于提高zib的比容量、倍率性能和循環(huán)壽命。采用K+離子插層再原位生長的策略，成功合成了先進(jìn)K-V2C@MnO2雜化體，這是一種先進(jìn)的錳釩復(fù)合鋅離子存儲陰極。物理表征和電化學(xué)研究k-V2C@MnO2電極具有相當(dāng)?shù)慕Y(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和較高的可逆性。此外，結(jié)合電分析、模擬計(jì)算、同步XANES和EXAFS技術(shù)，闡述了K V2C@MnO2電極的Zn2+插入/萃取機(jī)理和相變。與大多數(shù)現(xiàn)有的ZIBs陰極材料相比，K−V2C@MnO2具有導(dǎo)電襯底和高表面活性的優(yōu)點(diǎn)，具有優(yōu)異的速率性能、高容量和循環(huán)穩(wěn)定性。具體來說，K−V2C@MnO2與Mn2+電沉積增強(qiáng)協(xié)同反應(yīng)和二氧化錳抑制結(jié)構(gòu)損傷，在0.3Ag−1下達(dá)到408.1mAhg−1的神奇容量，這是之前報(bào)道的錳陰極的最佳Zn2+容量。此外，即使在10Ag−1的相當(dāng)高的速率下，K−V2C@MnO2在10000個(gè)循環(huán)后仍然保持了119.2mAhg−1的可實(shí)現(xiàn)容量。結(jié)果表明，K−V2C@MnO2是一種很有前途的高性能zib陰極材料。此外，這項(xiàng)工作不僅為進(jìn)一步了解鋅離子的插入過程提供了一條思路，而且為開發(fā)低成本、高可逆性、高穩(wěn)定性和安全性的水電池提供了一種方法。

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