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Mechanistic Insight into the Electrochemical Performance of Zn/VO2 Batteries with an Aqueous ZnSO4 Electrolyte

材料科学 水溶液 阴极 电化学 电解质 中子衍射 离子 质子 结晶学 电极 晶体结构 物理化学 化学 量子力学 物理 有机化学
作者
Zhaolong Li,Swapna Ganapathy,Yaolin Xu,Zhou Zhou,Mehmet Sarilar,Marnix Wagemaker
出处
期刊:Advanced Energy Materials [Wiley]
卷期号:9 (22) 被引量:257
标识
DOI:10.1002/aenm.201900237
摘要

Abstract Rechargeable aqueous zinc‐ion batteries (ZIBs) are promising for cheap stationary energy storage. Challenges for Zn‐ion insertion hosts are the large structural changes of the host structure upon Zn‐ion insertion and the divalent Zn‐ion transport, challenging cycle life and power density respectively. Here a new mechanism is demonstrated for the VO 2 cathode toward proton insertion accompanied by Zn‐ion storage through the reversible deposition of Zn 4 (OH) 6 SO 4 ·5H 2 O on the cathode surface, supported by operando X‐ray diffraction, X‐ray photoelectron spectroscopy, neutron activation analysis, and density functional theory simulations. This leads to an initial discharge capacity of 272 mAh g −1 at a current density of 3.0 A g −1 , of which 75.5% is maintained after 945 cycles. It is proposed that the competition between proton and Zn‐ion insertion in the VO 2 host is determined by the solvation energy of the salt anion and proton insertion energetics, where proton insertion has the advantage of minimal structural distortion leading to a long cycle life. As the discharge kinetics are capacitive for the first half of the process and diffusion limited for the second half, the VO 2 cathode takes the middle road possessing both fast kinetics and high practical capacities revealing a reaction mechanism that provides new perspective for the development of aqueous ZIBs.
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