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Unveiling the role of oxygen defects in facilitating Mg2+ diffusion and charge storage in MgMn2O4 cathodes for aqueous magnesium-ion capacitors

材料科学 电容器 水溶液 阴极 扩散 化学物理 氧气 离子 化学工程 电导率 密度泛函理论 费米能级 扩散阻挡层 间质缺损 纳米技术 X射线光电子能谱 单晶 电化学动力学 阳极 电极 离子电导率 晶体结构 晶格扩散系数 电阻率和电导率 电子结构 吸附 空位缺陷 电化学
作者
Yingjie Zhao,Leichao Meng,Lingyun An,Shuzhen Cui,Qianghong Wu,Yongfu Cui,Tianyi Ma,Hang Xu,Siwen Zhang
出处
期刊:Composites Part B-engineering [Elsevier BV]
卷期号:309: 113050-113050 被引量:2
标识
DOI:10.1016/j.compositesb.2025.113050
摘要

The development of high-performance aqueous magnesium-ion capacitors (AMICs) critically depends on overcoming the inherent challenges of sluggish Mg 2+ diffusion and limited electronic conductivity in cathode materials. This study presents an effective strategy utilizing oxygen defect engineering in MgMn 2 O 4 cathodes to enhance Mg 2+ storage performance in aqueous electrolytes. Oxygen defect formation induces significant lattice expansion, increasing the crystal plane spacing from 0.22 nm to 0.36 nm, which substantially reduces steric hindrance for bulky hydrated Mg 2+ ions during intercalation. This structural modification accelerates ion diffusion kinetics and mitigates volumetric changes during cycling, thereby minimizing mechanical stress and enhancing the electrode's structural stability. Density functional theory (DFT) calculations demonstrate that oxygen defects reduce the Mg 2+ diffusion barrier from 0.97 eV to 0.38 eV, and modify the electronic structure by introducing defect states near the Fermi level, thus improving electronic conductivity and charge transfer efficiency. Furthermore, defect-induced charge redistribution generates energetically favorable adsorption sites with binding energies of –0.44 eV for Mg 2+ ions. Ex-situ X-ray diffraction (XRD) and X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) analyses confirm the structural and chemical stability of the host lattice during Mg 2+ insertion/extraction, emphasizing the role of oxygen defects in framework stabilization. The optimized oxygen-deficient MgMn 2 O 4 cathode demonstrates a remarkable specific capacity of 230.8 mAh g -1 at 0.1 A g -1 and exceptional cycling stability, maintaining 85% capacity after 3000 cycles. This research provides valuable insights into defect engineering as a versatile approach for advancing aqueous multivalent ion energy storage and establishes a framework for rational cathode design through electronic structure modification.
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