Tuning the Valence of MnO x Cathodes Reveals the Universality of the Proton‐Coupled Electrodissolution/Electrodeposition Mechanism in Rechargeable Aqueous Zn Batteries

电解质 尖晶石 材料科学 价(化学) 电化学 无定形固体 水溶液 结晶度 无机化学 化学 电极 物理化学 结晶学 冶金 有机化学 复合材料
作者
Arvinder Singh,Christel Laberty‐Robert,Véronique Balland,Benoı̂t Limoges
出处
期刊:Advanced Energy Materials [Wiley]
卷期号:13 (46) 被引量:19
标识
DOI:10.1002/aenm.202301745
摘要

Abstract The charge storage mechanism of manganese oxides (MnO x ) in rechargeable mild aqueous Zn batteries is still a matter of debate, with no consensus on mechanism and charge carriers. In this work, this issue is addressed by relying on a quantitative and comparative electrochemical study of low‐valence crystalline MnO x cathodes in a range of aqueous electrolytes, with a primary focus on spinel Mn 3 O 4 . The results demonstrate that the oxidation state of Mn in MnO x structures as well as their degree of crystallinity have little impact on the electrochemical reactivity, all MnO x being fully converted into soluble Mn 2+ upon discharge. It is further revealed that this electrodissolution mechanism is affected by Mn 3 O 4 dismutation in the most acidic electrolytes. Accordingly, the true thermodynamics and kinetics of Mn 3 O 4 are only accessible at mildly acidic to neutral pHs. In addition, the study confirms the phase transformation of Mn 3 O 4 to Mn 5 O 8 upon galvanostatic oxidation, and demonstrates that this transformation only proceeds in Mn 2+ ‐free electrolytes, since otherwise amorphous MnO 2 electrodeposits on top of Mn 3 O 4 . Finally, it is concluded that regardless of the starting MnO x material, after the first discharge or a first charge/discharge cycle, subsequent charge/discharge cycles rely on a reversible proton‐coupled electrodeposition of amorphous MnO 2 .
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