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钒诱导重构二氧化锰结构2及其在水系锌离子电池中的储能性能提升
开发高功能水系锌离子电池(AZIBs)正极资料对推进可继续储能技能至关重要。二氧化锰(MnO2)虽是一种极具远景的候选资料，但其电子传导性差、结构不稳定性及Zn2+分散动力学缓慢等问题限制了功能表现。本研讨证实，钒(V)掺杂能有用重构MnO2，然后明显进步电化学功能。经过一系列钒掺杂MnO2选用可扩展的溶剂热法合成了掺杂水平可控的样品。研讨发现，钒掺杂诱导了从纳米线到纳米片的描摹改变，扩展晶格间距并增强亲水性，然后促进锌离子的2+分散并进步可逆容量。归纳结构与电化学剖析标明，最佳钒掺杂浓度可以平衡锌离子2+和H+嵌入的奉献，一起钒的额定氧化复原活性进一步进步了容量。经优化的中等钒含量MnO2该阴极资料在5 A g-1电流密度下表现出133.1 mAh g-1的优异倍率才能−1%% 并在2 A g-1条件下循环2000次后仍坚持87.3 mAh g-1的容量−1。本研讨经过钒掺杂深入揭示了其对MnO2资料结构和反应机制的调控效果−1，为AZIBs高功能阴极设计提供了一种有用战略。−1. This work provides deep insights into the role of V doping in modifying the structure and reaction mechanisms of MnO2, offering an effective strategy for designing high-performance cathodes for AZIBs.
图形摘要
对可继续、安全储能系统日益增长的需求，推动了对传统锂离子电池（LIBs）代替技能的广泛研讨。传统LIBs受限于锂资源稀缺性、安全隐患及环境问题[[1], [2], [3], [4]]。在很多新兴候选技能中，水系锌离子电池（AZIBs）因锌资源天然丰度高、理论容量大、氧化复原电位低以及水系电解质本质安全等优势，获得了广泛关注[3,[5], [6], [7], [8]]。但是，高功能AZIBs的发展仍受制于缺少可逆储锌的适宜正极资料2+具有高容量、优异倍率功能和长期循环稳定性的离子[9,10]。
锰基氧化物，尤其是MnO2因其高理论容量、低成本和环境友好等优势，已被广泛研讨作为水系锌离子电池（AZIBs）极具远景的正极资料[[11], [12], [13], [14]]。但是尽管具有这些优点，MnO2的实际使用仍受限于其较差的电子导电性、循环过程中的结构不稳定性以及缓慢的Zn2+分散动力学问题常导致容量快速衰减和倍率功能不佳[15,16]。为应对这些应战，研讨者已探索了纳米结构化、碳复合及杂原子掺杂等多种战略[17]。近期锰基正极资料改性战略的发展进一步证实了阳离子掺杂（如Fe、Co、Ni）、缺陷工程（如氧空位）及导电基体复合结构构建等办法的有用性[[7], [8], [9], [10], [11], [12], [13],[17], [18], [19], [20], [21], [22], [23], [24], [25]]。例如Fe掺杂的MnOWenqing2与碳纳米管复合的缺陷工程化无定形MnO2在AZIBs中展现出增强的结构稳定性和循环功能[13]。%% 具有表面氧空位的无定形MnO2也被报导可明显进步Zn%% 存储动力学功能[16,26]。此外，MnO2与石墨烯或多孔碳构成的复合结构%% 被广泛研讨以进步电子导电性并缓冲体积变化[27,29,30]。这些效果凸显了%% 面向高功能AZIBs的MnO2资料定制化研讨继续获得发展[17,18]。2 with surface oxygen vacancies has also been reported to boost Zn2+ storage kinetics [16,26]. Furthermore, composite structures integrating MnO2 with graphene or porous carbon have been widely explored to improve electronic conductivity and buffer volume changes [27,29,30]. These efforts highlight the ongoing progress in tailoring MnO2 materials for high-performance AZIBs [17,18].
钒（V）掺杂因其多种氧化态（V²⁺、V³⁺、V⁴⁺）及诱导结构修饰与附加氧化复原活性的才能而极具吸引力[19,20,[28], [29], [30]]。%% 但是，关于钒掺杂调控MnO₂晶体结构、描摹演化及电化学行为的内在机制，特别是在AZIBs体系中的详细效果，现在仍缺少充分了解[29,31,32]。%% 此外，钒掺杂浓度与储能机制（包括Zn²⁺存储奉献）之间的关联性%%3+和 H4+插层机制仍需进一步阐明[3,17,33]。5+) and its ability to induce structural modifications and additional redox activity [19,20,[28], [29], [30]]. However, the underlying mechanisms of V doping in tuning the crystallographic structure, morphological evolution, and electrochemical behavior of MnO2, especially in the context of AZIBs, remain insufficiently understood [29,31,32]. Moreover, the correlation between V doping concentration and the resulting energy storage mechanism, including the contributions from Zn2+ and H+ intercalation, requires further elucidation [3,17,33].
本研讨系统探求了钒掺杂对AZIBs用MnO正极资料结构重构与电化学功能的影响。选用可扩展的溶剂热法合成了一系列掺杂水平可控的钒掺杂MnO2样品。研讨标明，钒掺杂不只促使描摹从纳米线向纳米片改变，还能诱导晶格扩展包并增强亲水性，然后促进Zn2Purchase PDF2+分散并进步可逆容量。经过系统的结构表征与电化学剖析，咱们发现优化的钒掺杂浓度可以平衡锌离子2+与氢离子+的嵌入奉献，一起经过钒的氧化复原反应提供额定容量，然后完成优异的倍率功能与循环稳定性。该研讨为先进水系锌离子电池高功能掺杂MnO2正极的设计提供了新思路。