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Boosting high-loading zinc-ion battery performance: Zn-Doped δ-MnO2 cathodes to promote Zn2+ storage

材料科学 兴奋剂 锌 Boosting(机器学习) 阴极 电池(电) 离子 无机化学 储能 化学工程 冶金 光电子学 电气工程 计算机科学 有机化学 物理 工程类 机器学习 功率(物理) 化学 量子力学
作者
Jesús Chacón‐Borrero,Xingqi Chang,Zhiwen Min,Jing Yu,Guillem Montaña‐Mora,Karol Viviana Mejía‐Centeno,Yuanmiao Sun,Xiaolong Zhou,Sarayut Tunmee,Pinit Kidkhunthod,Junshan Li,Jordi Llorca,Jordi Arbiol,Andreu Cabot
出处
期刊:Energy Storage Materials [Elsevier BV]
卷期号:81: 104486-104486 被引量:31
标识
DOI:10.1016/j.ensm.2025.104486
摘要

Rechargeable aqueous zinc-ion batteries (AZIBs) have emerged as a leading contender for stationary energy storage systems due to their low cost, safety, and environmental sustainability. However, their widespread practical application is hindered by the limited stability and capacity of current AZIB cathodes, such as manganese oxide (MnO 2 ), which affects their long-term cost-effectiveness. To overcome this limitation, we introduce zinc (Zn) doping in δ-MnO 2 , which modulates the electronic states of Mn atoms, suppresses Jahn–Teller distortion, and enhances structural stability. Additionally, the use of a binder-free, self-supported porous electrode without current collectors facilitates three-dimensional ion diffusion, further improving electrochemical performance. As a result, the assembled AZIBs demonstrate outstanding rate capability, delivering 440 mAh∙g -1 at 0.2 A∙g -1 and retaining 118 mAh∙g -1 at 24 A∙g -1 for Zn-doped δ-MnO 2 , outperforming the bare δ-MnO 2 with 356 mAh∙g -1 at 0.2 A∙g -1 and 80 mAh∙g -1 at 24 A∙g -1 . Additionally, the Zn-doped δ-MnO 2 exhibits excellent cycling performance with ∼100% capacity retention after 6000 cycles at 150 mAh∙g -1 at 10 A∙g -1 . Furthermore, Zn-doped MnO 2 electrodes integrated with carbon nanotubes achieve a high capacity of ∼210 mAh∙g -1 , even at an ultrahigh mass loading (∼20 mg∙cm -2 ) at 0.6 mA∙g -1 . While energy storage in MnO 2 involves the reaction and insertion of H + , Mn 2+ , and Zn 2+ cations, density functional theory calculations reveal that Zn intercalation is the dominant storage mechanism in these cells. Overall, this study highlights the potential of Zn-doped MnO 2 cathodes as a promising strategy for advancing the stability, capacity, and rate performance of next-generation AZIBs.
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