Substitutional Design of Nanosized α-MnO 2 Cathode for Rechargeable Magnesium Battery

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作者
T. Yabu,Haruki Shinohara,Reona Iimura,Ruijie Zhu,Akira Nasu,Shin Kiyohara,Naoto Kitamura,Toshihiko Mandai,Yu Kumagai,Masaki Matsui,Hiroaki Kobayashi
出处
期刊:ACS applied energy materials [American Chemical Society]
标识
DOI:10.1021/acsaem.6c00722
摘要

Rechargeable magnesium batteries (RMBs) are promising next-generation batteries, yet realizing high energy density calls for high-voltage oxide cathodes. α-MnO 2 is an attractive oxide host because it offers high theoretical capacity and high Mn 3+ /Mn 4+ redox potential together with a rigid tunnel framework that can reversibly accommodate multivalent ions. In practice, however, Mg 2+ transport in α-MnO 2 is sluggish; strong Coulombic interactions between Mg 2+ and O 2− kinetically trap Mg 2+ and cause a large polarization, limiting the reversible capacity. Here, the substitution chemistry directly governs oxygen-vacancy formation, crystallinity, and ultimately Mg 2+ migration in nanosized α-MnO 2 . Using an alcohol reflux process, nanosized Al-, Ga-, In-, Ti-, and Cr-substituted α-MnO 2 cathodes, which modulate the structure and electronic states and thereby alter the electrochemical kinetics, are synthesized. Among them, Ti-substituted α-MnO 2 delivers faster Mg transport, reduced overpotential, and improved capacity retention at room temperature. Density functional theory calculations further indicate a reduced Mg migration barrier near Ti sites, consistent with the observed kinetic enhancement. The appropriate heteroatom substitution is a key design principle for multivalent ion cathodes, where effective dopants enable defect control and locally reduce migration barriers.
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