Investigating the electrochemical performance of MnO2 polymorphs as cathode materials for aqueous proton batteries

阴极 电化学 水溶液 质子 电解质 电池(电) 材料科学 结构稳定性 容量损失 化学工程 化学 电极 热力学 物理化学 功率(物理) 物理 结构工程 量子力学 工程类
作者
Yujie Dai,Jianze Zhang,Xiaorong Yan,Guoqing Zhao,Mingsheng Yang,Jiakui Xiong,Rui Li,Naihua Miao,Haiping Yu,Mingjun Hu,Jingru Liu,Jun Yang
出处
期刊:Chemical Engineering Journal [Elsevier BV]
卷期号:471: 144158-144158 被引量:28
标识
DOI:10.1016/j.cej.2023.144158
摘要

Aqueous proton batteries (APBs) have attracted considerable attention due to the small size and fast kinetics of protons. However, the study of the cathode materials for APBs is unsatisfactory due to either low specific capacity or poor stability in acidic electrolytes, which greatly hinders the development of APBs. In this work, for the first time, six kinds of MnO2 polymorphs (α-, β-, δ-, γ-, λ-, and R-MnO2) are synthesized and systematically investigated to evaluate their potential as cathodes for APBs, among which the λ-MnO2 stands out by virtue of the 235 mAh/g specific capacity and 85% capacity retention rate over 500 cycles. To explain the reason for the stability of the λ-MnO2, DFT calculations are conducted, and the results indicate that the λ-MnO2 sustains minute volume expansion after proton insertion due to the slight Jahn-Teller distortion and robust all edge-sharing structure. The full battery performance shows the potential of the λ-MnO2 as a promising cathode for APBs with an excellent capacity of 202 mAh/g at 0.1 A/g and an outstanding retention rate of 80% after 1000 cycles. These results broaden the range of cathode materials and shed new light on the performance improvement of APBs.
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