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Expedited Zn 2+ diffusion in electrostatically shielded tunnels triples the capacity of spinel ZnMn 2 O 4

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作者
Zihan Xu,Mei Han,Yu Wang,Kaihang Yue,Jian Zhi
出处
期刊:Materials horizons [Royal Society of Chemistry]
卷期号:13 (2): 991-1004
标识
DOI:10.1039/d5mh01580d
摘要

Strong electrostatic repulsion cripples Zn2+ diffusion in aqueous zinc-ion battery cathodes, particularly within rigid spinel frameworks where structural stability conflicts with ion kinetics. Here, we construct electrostatically shielded diffusion tunnels in spinel ZnMn2O4 (ZMO) via vacancy regulation. Electrostatic potential (ESP) mapping and density of states (DOS) analysis demonstrate that the obtained charge-depletion zones effectively reduce electrostatic repulsion along diffusion pathways during ion migration, lowering the Zn2+ diffusion barrier by 66% (from 0.76 eV to 0.26 eV) and enhancing the diffusion coefficient by two orders of magnitude (from 10-11 cm2 s-1 to 10-9 cm2 s-1). The expedited Zn2+ diffusion in such electrostatically shielded tunnels triples the capacity of ZMO from 64 mAh g-1 to 205 mAh g-1 at 300 mA g-1, with great cycling properties corresponding to a high-capacity retention of 93.7% over 200 cycles. More importantly, the assembled series-connected pouch cells also exhibit analogous capacity enhancement (from 9.1 mAh to 32.5 mAh) at 100 mA g-1 with 93.4% retention after 100 cycles, outperforming other state-of-the-art zinc-ion pouch systems. This electrostatic regulation strategy establishes a new paradigm for designing high-capacity, fast diffusion kinetic cathodes for application in aqueous zinc batteries.
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