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Effects of interlayer confinement and hydration on capacitive charge storage in birnessite

双锰矿 电容感应 材料科学 超级电容器 电荷(物理) 化学物理 电容 复合材料 凝聚态物理 纳米技术 电极 化学 电气工程 物理 物理化学 工程类 冶金 量子力学 氧化物 氧化锰
作者
Shelby Boyd,Karthik Ganeshan,Wan‐Yu Tsai,Tao Wu,Saeed Saeed,De‐en Jiang,Nina Balke,Adri C. T. van Duin,Veronica Augustyn
出处
期刊:Nature Materials [Nature Portfolio]
卷期号:20 (12): 1689-1694 被引量:222
标识
DOI:10.1038/s41563-021-01066-4
摘要

Nanostructured birnessite exhibits high specific capacitance and nearly ideal capacitive behaviour in aqueous electrolytes, rendering it an important electrode material for low-cost, high-power energy storage devices. The mechanism of electrochemical capacitance in birnessite has been described as both Faradaic (involving redox) and non-Faradaic (involving only electrostatic interactions). To clarify the capacitive mechanism, we characterized birnessite's response to applied potential using ex situ X-ray diffraction, electrochemical quartz crystal microbalance, in situ Raman spectroscopy and operando atomic force microscope dilatometry to provide a holistic understanding of its structural, gravimetric and mechanical responses. These observations are supported by atomic-scale simulations using density functional theory for the cation-intercalated structure of birnessite, ReaxFF reactive force field-based molecular dynamics and ReaxFF-based grand canonical Monte Carlo simulations on the dynamics at the birnessite-water-electrolyte interface. We show that capacitive charge storage in birnessite is governed by interlayer cation intercalation. We conclude that the intercalation appears capacitive due to the presence of nanoconfined interlayer structural water, which mediates the interaction between the intercalated cation and the birnessite host and leads to minimal structural changes.
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