Decoupling electrolytes towards stable and high-energy rechargeable aqueous zinc–manganese dioxide batteries

解耦(概率) 电解质 阳极 阴极 电池(电) 储能 材料科学 电压 碱性电池 化学 水溶液 电气工程 电极 冶金 工程类 物理 控制工程 物理化学 功率(物理) 量子力学
作者
Cheng Zhong,Bin Liu,Jia Ding,Xiaorui Liu,Yuwei Zhong,Yuan Li,Changbin Sun,Xiaopeng Han,Yida Deng,Naiqin Zhao,Wenbin Hu
出处
期刊:Nature Energy [Nature Portfolio]
卷期号:5 (6): 440-449 被引量:623
标识
DOI:10.1038/s41560-020-0584-y
摘要

Aqueous battery systems feature high safety, but they usually suffer from low voltage and low energy density, restricting their applications in large-scale storage. Here, we propose an electrolyte-decoupling strategy to maximize the full potential of Zn–MnO2 batteries by simultaneously enabling the optimal redox chemistry of both the Zn and MnO2 electrodes. The decoupled Zn–MnO2 battery exhibits an open-circuit voltage of 2.83 V (in contrast to the typical voltage of 1.5 V in conventional Zn–MnO2 batteries), as well as cyclability with only 2% capacity fading after deep cycling for 200 h. Benefiting from the full utilization of MnO2, the Zn–MnO2 battery is also able to maintain approximately 100% of its capacity at various discharge current densities. We also demonstrate the feasibility of integrating the Zn–MnO2 battery with a wind and photovoltaic hybrid power generating system. This electrolyte-decoupling strategy is shown to be applicable for other high-performance zinc-based aqueous batteries such as Zn–Cu and Zn–Ag batteries. Low energy density and limited cyclability are preventing the commercialization of aqueous Zn–MnO2 batteries. Here, the authors combine the merits of operating Zn anodes in alkaline conditions and MnO2 cathodes in acidic conditions, via an electrolyte-decoupling strategy, to realize high-performance batteries.
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