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Enhancing Two-Electron Reaction Contribution in MnO2 Cathode Material by Structural Engineering for Stable Cycling in Aqueous Zn Batteries

阴极 电解质 溶解 材料科学 水溶液 化学工程 电子转移 复合数 电极 化学 复合材料 光化学 物理化学 工程类
作者
Yaozhi Liu,Kuo Wang,Xianpeng Yang,Jie Liu,Xiaoxia Liu,Xiaoqi Sun
出处
期刊:ACS Nano [American Chemical Society]
卷期号:17 (15): 14792-14799 被引量:75
标识
DOI:10.1021/acsnano.3c02965
摘要

MnO2 is a promising cathode for aqueous Zn batteries. However, the cycling stability is seriously hindered by active material dissolution, and the pre-addition of Mn2+ salts in electrolytes is widely required. Herein, we propose a structural engineering strategy for MnO2 to enhance the capacity contribution from the reversible two-electron transfer reaction of MnO2/Mn2+ and realize stable cycling in Mn2+-free electrolytes. By compositing with MoO3, MnO2 exhibits weakened Mn–O bonds, more oxygen vacancies, spontaneous generation of structural water, and thus a lowered energy barrier for Mn release during discharge. Meanwhile, the composite material presents stronger electrostatic attractions for dissolved Mn2+, which ensures highly reversible re-deposition during charge. As a result, the mass ratios between materials undergoing reversible two-electron and one-electron transfer reactions increase from 0.85 in MnO2 to 1.68 in the MnO2/MoO3 composite material. In the ZnSO4 electrolyte, the MnO2/MoO3 cathode achieves 92.6% capacity retention after 300 cycles at 0.1 A g–1 (>1900 h), superior to 62.7% for MnO2. MnO2/MoO3 also retains 80.1% capacity after 16 000 cycles at 1 A g–1 (>3200 h). This work presents an effective path to realize stable cycling of MnO2 in Zn batteries.
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