Tailoring hierarchical MnO2 nanostructures on self-supporting cathodes for high-mass-loading zinc-ion batteries

纳米结构 材料科学 阴极 纳米技术 离子 化学工程 冶金 化学 工程类 物理化学 有机化学
作者
Weijie Zheng,Zhibiao Cui,Cong Liu,Libei Yuan,Shengsong Li,Lilin Lin,Tao Meng,Liangui Yang,Yexiang Tong,Dong Shu
出处
期刊:Chemical Science [Royal Society of Chemistry]
卷期号:15 (48): 20303-20314 被引量:24
标识
DOI:10.1039/d4sc06182a
摘要

Aqueous zinc-ion batteries (AZIBs) with MnO2 cathodes have promising application prospects; however, their performance is hindered by their low efficiency and insufficient life. By leveraging the nanomicellar properties of cetyltrimethylammonium bromide (CTAB), a hierarchical δ-MnO2 with 2D/3D structure was directionally grown on a modified carbon cloth (CC) collector for realizing high-mass-loading AZIBs. Experimental results reveal the synergistic effects of micro/nano hierarchically structured MnO2-CC heterointerfaces in accelerating the electron migration and transfer rate of Zn2+/H+. Functioning as a conductive skeleton and flexible substrate, CC efficiently improves the reaction kinetics and buffers the interfacial stress resulting from the structural evolution of MnO2 during the long-term electrode reaction. This phenomenon is investigated using advanced characterisation techniques, including X-ray absorption fine structure spectroscopy, Kelvin probe force microscopy, and theoretical simulations. The fabricated electrode exhibits superior electrochemical properties, such as high capacity (409.6 mA h g-1 at 0.1 A g-1) and reliable cycling performance (with 86.6% capacity retention after 2000 cycles at 1.0 A g-1). Even at a high mass loading of 6.0 mg cm-2, the battery retains 81.8% of its original capacity after 1300 cycles. The proposed interface engineering strategy provides valuable insights into realising high-loading and long-life AZIBs.
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