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Mitigating Diffusion-Limited Concentration Polarization via Intrinsic Electrocapillary Effects in Engineered Hollow Cathodes

阴极 电化学 水溶液 储能 极化(电化学) 吸附 扩散 离子 材料科学 化学工程 电池(电) 电极 纳米技术 浓差极化 化学 工作(物理) 多孔性 大规模运输 活化能 电化学动力学 表面扩散
作者
Xin Liu,Jiaxian Zheng,Jiahao Li,Fangwang Ming,Yun‐Pei Zhu,Binbin Wei,Zhengbing Qi,Peter R. Makgwane,Hanfeng Liang
出处
期刊:Nano Letters [American Chemical Society]
卷期号:25 (51): 17790-17796 被引量:1
标识
DOI:10.1021/acs.nanolett.5c05008
摘要

Aqueous zinc-ion batteries (AZIBs) are promising for grid-scale energy storage but suffer from sluggish ion diffusion kinetics, severe concentration polarization, and rapid performance decay. While structural engineering offers partial mitigation, a more fundamental solution lies in actively controlling interfacial mass transport. Herein, we overcome this issue by harnessing the electrocapillary effect using sea urchin-like MnO2 microspheres with hollow nanotubes (H-MnO2). This nanocapillary network enables rapid ion replenishment at the reaction interface, effectively suppressing concentration polarization. As a result, H-MnO2 cathode exhibits enhanced wettability, a lower ion adsorption energy barrier, and significantly accelerated Zn2+/H+ diffusion kinetics. Consequently, the Zn||H-MnO2 battery achieves a high capacity of 407 mAh g–1 at 0.1 A g–1 and stable cycling with over 200 mAh g–1 after 350 cycles at 0.5 A g–1. This work transcends conventional structural optimization by introducing electrocapillary management as a new design paradigm for high-performance electrochemical energy storage.
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