Reversible Transformation of a Zinc Salt-Boosted High Areal Capacity Manganese Dioxide Cathode for Energy-Dense and Stable Aqueous Zinc Batteries

溶解 水溶液 阴极 盐(化学) 化学工程 沉积(地质) 化学 无机化学 材料科学 冶金 地质学 物理化学 古生物学 工程类 沉积物
作者
Chuanqiang Li,Xiaowei Chi,Jia‐Qi Huang,Jing Wu,Yu Liu
出处
期刊:ACS applied energy materials [American Chemical Society]
卷期号:5 (2): 1478-1486 被引量:15
标识
DOI:10.1021/acsaem.1c02853
摘要

Recently, rechargeable aqueous zinc–manganese dioxide batteries have attracted extensive attention due to their intrinsic safety and high energy density. However, due to the poor reversibility and substrate-dependent feature of the MnO2 dissolution/deposition reaction, MnO2 is barely cycled at a low areal capacity and short period, which considerably limits its practical applications. Herein, a reversible transformation reaction of an inorganic salt Zn4(OH)6SO4·5H2O (ZHS) was coupled with the dissolution/deposition reaction of layered K- and Na-inserted MnO2 (KNMO) to realize a high areal capacity KNMO–ZHS composite cathode for energy-dense and stable aqueous zinc batteries. During the dissolution (discharging process) and deposition (charging process) of KNMO, ZHS transforms in the opposite direction and plays the role of a pH stabilizer during discharging and an in situ pore former during charging, thus considerably enhancing the reaction kinetics and reversibility of KNMO. The KNMO–ZHS cathode could deliver a high specific capacity of 335 mAh g–1 at 0.1 A g–1 and show stable cycling for 5000 cycles at 6 A g–1. In particular, for the first time, a zinc-ion battery with a record high mass loading of more than 50 mg cm–2 cathode was demonstrated and showed decent capacity retention, which paves the way for practical applications of zinc–manganese dioxide batteries.
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