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Improved Mn 4+ /Mn 2+ Contribution in High‐Voltage Zn–MnO 2 Batteries Enabled by an Al 3+ ‐Ion Electrolyte

电解质 材料科学 电化学 插层(化学) 电池(电) 电容 离子 储能 电流密度 超级电容器 分析化学(期刊) 化学工程 电极 无机化学 物理化学 化学 热力学 物理 色谱法 量子力学 工程类 功率(物理) 有机化学
作者
Xingqi Chang,Jesús Chacón‐Borrero,Jian Ku Shang,Ke Xiao,Guillem Montaña‐Mora,Karol Viviana Mejía‐Centeno,Xuan Lu,Ao Yu,Jing Yu,Xiaolong Zhou,Sarayut Tunmee,Pinit Kidkhunthod,Changcai Cui,Junshan Li,Yongbing Tang,Paulina R. Martínez‐Alanis,Jordi Arbiol,Andreu Cabot
出处
期刊:Advanced Energy Materials [Wiley]
卷期号:14 (48) 被引量:15
标识
DOI:10.1002/aenm.202402584
摘要

Abstract Rechargeable aqueous Zn–MnO 2 batteries are attracting attention as a cost‐effective and safe energy storage solution, but their commercialization faces challenges due to limited stability, output voltage, and energy density. Herein, a hybrid‐ion Zn–MnO 2 system with enhanced Mn 4+ /Mn 2+ electrochemical contribution is introduced using an Al 3+ ‐based electrolyte. Compared with conventional Zn 2+ electrolytes, the hybrid Al 3+ /Zn 2+ cell offers higher output voltage of 1.75 V, capacities up to 469 mAh g −1 , and outstanding energy densities up to ≈730 Wh kg −1 at 0.3 A g −1 . Besides, the Al 3+ ‐enabled Zn–MnO 2 battery shows 100% capacity and energy density retention after 10,000 cycles at 2 A g −1 . Even at a high mass–loading of 6.2 mg cm −2 , a capacity of ≈200 mAh g −1 is maintained for over 100 cycles. This outstanding performance is related to the contribution of different intercalation and reaction mechanisms, as proved by the combination of electrochemical analysis and ex‐situ x ‐ray diffraction characterization of the cells at different discharge stages. Al 3+ ions, as Lewis strong acid, contribute to capacity in two significant ways: through a highly reversible intercalation/de‐intercalation that substantially boosts capacitance at low current rates, and promoting the Mn 4+ /Mn 2+ reaction aided by H + that dominates the capacitance at higher current rates. Overall, this work demonstrates a practical Zn–MnO 2 battery with a high potential for low‐cost stationary energy storage habilitated by multiple ion co‐intercalation.
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