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Layered manganese oxide cathode boosting high-capacity and long-term cyclability in aqueous Zinc-Ion batteries

材料科学 质子化 阴极 水溶液 双锰矿 氧化锰 氧化还原 无机化学 离子 石墨烯 氧化物 化学工程 纳米技术 冶金 物理化学 化学 有机化学 工程类
作者
Orynbay Zhanadilov,Hee Jae Kim,Aishuak Konarov,Jiwon Jeong,Jae‐Ho Park,Kyung Yoon Chung,Zhumabay Bakenov,Hitoshi Yashiro,Seung‐Taek Myung
出处
期刊:Energy Storage Materials [Elsevier BV]
卷期号:67: 103283-103283 被引量:31
标识
DOI:10.1016/j.ensm.2024.103283
摘要

Development of aqueous zinc-ion batteries (ZIBs) promises low-cost and safe energy storage systems. From the existing natural resources manganese-based compounds are desirable cathodes materials for aqueous ZIBs. We present a layered birnessite-type δ–K0.32MnO2·0·15H2O (MnO2) as a candidate cathode material. By adding reduced graphene oxide (rGO) to enhance electron transport, we present the electrode performance in Al pouch cells (3.2 × 3.4 cm2) achieving a high-capacity of 373 mAh g1− at 0.1C which retained over 99 % for 120 cycles. Additionally, performance is highlighted at 5C and 10C, retaining 89 % for 500 cycles and 35 % for 2,000 cycles, respectively. The main redox process involves the Mn4+/Mn3+ redox couple, accompanied by a conversion reaction through the de/protonation process. Operando XRD, operando pH measurement, and time-of-flight secondary-ion mass spectroscopy prove that the de/protonation process of solvated zinc ions [Zn(H2O)6]2+, followed by protonation of the active material leads to the formation of KxMnOOH(1- x) during discharge and vice versa during charging. The conversion reaction resulting from the de/protonation processes leads to the amorphization of the active material after the prolonged cycles. Operando pH analysis shows the influence of the pH on de/protonation of [Zn(H2O)6]2+ complex, thus implicating it as a determinant of the capacity.
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