Batteries & Supercaps：高负载二氧化锰的多孔碳纤维实现水系锌离子电池快速充放

水系锌锰电池因其高能量密度，优秀的安全性，材料低廉易得，以及对环境友好等特点而备受关注。传统的锌锰电池正极由微米尺寸的二氧化锰颗粒，碳黑和粘结剂构成，难免呈现出导电性低和离子脱嵌缓慢等问题。因此，水系锌锰电池难以实现多次充放。现有的解决方案包括（一）使用水热法制得纳米级二氧化锰，可使充放电时离子脱嵌更加快速，但碳黑和粘结剂仍然难以在快速充放电时提供足够的导电性。（二）通过将二氧化锰置于碳布表面，借由石墨化的碳纤维获得高导电性能。然而该方案受限于碳布有限的比表面积，高载量的二氧化锰镀层往往呈现出微米级的厚度，使得离子脱嵌缓慢。综合以上方案的优点，弗吉尼亚理工化学系的刘国良课题组使用高比表面积的多孔碳纤维复合纳米级二氧化锰镀层，制作了高导电性，快离子脱嵌，高载量的二氧化锰电极，实现了水系锌锰电池电池的长寿命快速充放电。

该多孔碳纤维由静电纺织的嵌段共聚高分子碳化制得。基于聚丙烯腈的共聚高分子产生的碳纤维具有相互连通的介孔，高比表面积，以及高导电性。通过高锰酸钾在碳表面的氧化还原反应，碳纤维表面镀上纳米级二氧化锰镀层。有别于传统水热法中较高的反应温度，文章作者发现，室温下进行的氧化还原反应不仅避免的碳纤维的表面碳层剥离，而且室温下较慢的反应速率调节了高锰酸钾在介孔孔道中的扩散-耗竭过程，进而使二氧化锰镀层在介孔内分布更加均匀。室温下制得的多孔碳纤维-二氧化锰复合电极表现出优于现有方案的快速充放电性能和高能量密度。

作者认为，多孔碳纤维的高导电性，纳米级二氧化锰镀层的快速离子脱嵌，静电纺织结构中电解液浸透和离子快速传输是实现该电极优秀的快速充放电性能的关键所在，对今后高性能电池的快充电极设计具有借鉴意义。

论文信息：

Block Copolymer-Derived Porous Carbon Fibers Enable High MnO₂ Loading and Fast Charging in Aqueous Zinc-Ion Battery

Dong Guo, Wenqi Zhao, Fuping Pan, Prof. Guoliang Liu

第一作者为博士生郭栋

Batteries＆Supercaps

DOI: 10.1002/batt.202100380