A rechargeable aqueous zinc/sodium manganese oxides battery with robust performance enabled by Na2SO4 electrolyte additive

材料科学 阴极 电解质 电化学 阳极 法拉第效率 化学工程 电池(电) 无机化学 储能 水溶液 电极 化学 冶金 物理化学 物理 工程类 量子力学 功率(物理)
作者
Yongtai Xu,Jiaojiao Zhu,Jianze Feng,Yue Wang,Xiaoxia Wu,Pengjun Ma,Xu Zhang,Guangzhao Wang,Xingbin Yan
出处
期刊:Energy Storage Materials [Elsevier]
卷期号:38: 299-308 被引量:165
标识
DOI:10.1016/j.ensm.2021.03.019
摘要

Rechargeable aqueous Zn ion batteries (ZIBs) have recently attracted immense interest for large-scale energy storage systems stemming from their high natural abundance, environmental benignity, and high safety. However, the frustrating structural degradation in the cathode and the inherent Zn dendrite growth on the anode severely hinder the progress for future application. Herein, we report a zinc/sodium manganese oxides (denoted as Zn/NMO) battery with pre-inserted Na+ ions and crystal water in the cathode interlayer, which greatly facilitates cations diffusion without serious structural distortion. More importantly, Na2SO4 additive in ZnSO4-based electrolyte can eliminate Zn dendrites by modifying the deposited pattern of Zn2+ ions. Consequently, the Zn/NMO battery exhibits a high capacity (367.5 mAh g−1 at 0.65 C) and super long-term cyclic stability (only 0.007% capacity fading after 10000 cycles at 6.5 C). Besides, operando and ex situ electrochemical characterizations demonstrate that the formation of byproducts in the cathode surface leads to improved capacity and low Coulombic efficiency during the electrochemical activation process. Density functional theory (DFT) calculation further reveals the interface reaction mechanism, in which the solvation energy of electrolyte ions is responsible for the H+/Zn2+ insertion/extraction in the cathode material.
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