Theory‐Driven Design of a Cationic Accelerator for High‐Performance Electrolytic MnO2–Zn Batteries

电解质 阳极 材料科学 储能 电化学 电池(电) 阴极保护 化学工程 电极 阳离子聚合 溶解 水溶液 化学 热力学 功率(物理) 物理化学 物理 工程类 高分子化学
作者
Mingyan Chuai,Jinlong Yang,Rui Tan,Zaichun Liu,Yuan Yuan,Yan Xu,Jifei Sun,Mingming Wang,Xusheng Zheng,Na Chen,Wei Chen
出处
期刊:Advanced Materials [Wiley]
卷期号:34 (33) 被引量:54
标识
DOI:10.1002/adma.202203249
摘要

Aqueous electrolytic MnO2 -Zn batteries are considered as one of the most promising energy-storage devices for their cost effectiveness, high output voltage, and safety, but their electrochemical performance is limited by the sluggish kinetics of cathodic MnO2 /Mn2+ and anodic Zn/Zn2+ reactions. To overcome this critical challenge, herein, a cationic accelerator (CA) strategy is proposed based on the prediction of first-principles calculations. Poly(vinylpyrrolidone) is utilized as a model to testify the rational design of the CA strategy. It manifests that the CA effectively facilitates rapid cations migration in electrolyte and adequate charge transfer at electrode-electrolyte interface, benefiting the deposition/dissolution processes of both Mn2+ and Zn2+ cations to simultaneously improve kinetics of cathodic MnO2 /Mn2+ and anodic Zn/Zn2+ reactions. The resulting MnO2 -Zn battery regulated by CA exhibits large reversible capacities of 455 mAh g-1 and 3.64 mAh cm-2 at 20 C, as well as a long lifespan of 2000 cycles with energy density retention of 90%, achieving one of the best overall performances in the electrolytic MnO2 -Zn batteries. This comprehensive work integrating theoretical prediction with experimental studies provides opportunities to the development of high-performance energy-storage devices.
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