Copper activated near-full two-electron Mn4+/Mn2+ redox for mild aqueous Zn/MnO2 battery

氧化还原 溶解 化学 电化学 阴极 电解质 无机化学 容量损失 动力学 水溶液 电极 物理化学 物理 有机化学 量子力学
作者
Yatu Chen,Shuai Gu,Shuilin Wu,Xiaoxia Ma,Iftikhar Hussain,Zhipeng Sun,Zhouguang Lu,Kaili Zhang
出处
期刊:Chemical Engineering Journal [Elsevier BV]
卷期号:450: 137923-137923 被引量:33
标识
DOI:10.1016/j.cej.2022.137923
摘要

Compared with traditional one-electron Mn4+/Mn3+ redox couple (308 mAh g−1), two-electron Mn4+/Mn2+ redox mechanism doubles the theoretical capacity (616 mAh g−1) of Zn/MnO2 batteries. However, in most cases, activating the Mn4+/Mn2+ redox couple requires a low pH value, which often leads to corrosion issues. Herein, a binder-free Cu-doped ε-MnO2 (CMO) was synthesized through a facile electrodeposition method and the two-electron Mn4+/Mn2+ redox is achieved in near-neutral ZnSO4 electrolyte with a working potential window of 0.8–1.9 V. Detailed characterizations demonstrate that the synergistic effect between Cu and Mn can boost the further reduction of Mn4+ and Mn3+ to dissoluble Mn2+ below 1.1 V. Compared with the capacity of ε-MnO2 (MO, 282.4 mAh g−1), which mainly involves Mn4+/Mn3+ redox couple, the CMO cathode demonstrates an improved specific capacity of 397.4 mAh g−1 at 0.2 A g−1. Besides, the fast reaction kinetics of H+ insertion, Mn dissolution, and Mn deposition reactions endow CMO with excellent rate performance, achieving a high specific capacity of 298.9 mAh g−1 at 5 A g−1.
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