High‐Energy and Stable Subfreezing Aqueous Zn–MnO2 Batteries with Selective and Pseudocapacitive Zn‐Ion Insertion in MnO2

法拉第效率 材料科学 电解质 阳极 水溶液 阴极 电化学 化学工程 离子 容量损失 无机化学 电极 物理化学 化学 有机化学 工程类
作者
Siyuan Gao,Bomin Li,Haiyan Tan,Fan Xia,Olusola John Dahunsi,Wenqian Xu,Yuzi Liu,Rongyue Wang,Yingwen Cheng
出处
期刊:Advanced Materials [Wiley]
卷期号:34 (21): e2201510-e2201510 被引量:93
标识
DOI:10.1002/adma.202201510
摘要

One major challenge of aqueous Zn-MnO2 batteries for practical applications is their unacceptable performance below freezing temperatures. Here the use of simple Zn(ClO4 )2 aqueous electrolytes is described for all-weather Zn-MnO2 batteries even down to -60 °C. The symmetric, bulky ClO4 - anion effectively disrupts hydrogen bonds between water molecules and provides intrinsic ion diffusion even while frozen, and enables ≈260 mAh g-1 on MnO2 cathodes at -30 °C . It is identified that subfreezing cycling shifts the reaction mechanism on the MnO2 cathode from unstable H+ insertion to predominantly pseudocapacitive Zn2+ insertion, which converts MnO2 nanofibers into complicated zincated MnOx that are largely disordered and appeared as crumpled paper sheets. The Zn2+ insertion at -30 °C is faster and much more stable than at 20 °C, and delivers ≈80% capacity retention for 1000 cycles without Mn2+ additives. In addition, simple Zn(ClO4 )2 electrolyte also enables a nearly fully reversible and dendrite-free Zn anode at -30 °C with ≈98% Coulombic efficiency. Zn-MnO2 prototypes with an experimentally verified unit energy density of 148 Wh kg-1 at a negative-to-positive ratio of 1.5 and an electrolyte-to-capacity ratio of 2.0 are further demonstrated.
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