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Tunneling Proton Grotthuss Transfer Channels by Hydrophilic‐Zincophobic Heterointerface Shielding for High‐Performance Zn‐MnO2 Batteries

质子 量子隧道 材料科学 电磁屏蔽 纳米技术 光电子学 物理 复合材料 量子力学
作者
Yahui Wang,Xinran Wang,Anqi Zhang,Xiaomin Han,Jingjing Yang,Wenxing Chen,Ran Zhao,Chuan Wu,Ying Bai
出处
期刊:Small [Wiley]
被引量:1
标识
DOI:10.1002/smll.202403136
摘要

Abstract Hollandite‐type manganese dioxide (α‐MnO 2 ) is recognized as a promising cathode material upon high‐performance aqueous zinc‐ion batteries (ZIBs) owing to the high theoretical capacities, high working potentials, unique Zn 2+ /H + co‐insertion chemistry, and environmental friendliness. However, its practical applications limited by Zn 2+ accommodation, where the strong coulombic interaction and sluggish kinetics cause significant lattice deformation, fast capacity degradation, insufficient rate capability, and undesired interface degradation. It remains challenging to accurately modulate H + intercalation while suppressing Zn 2+ insertion for better lattice stability and electrochemical kinetics. Herein, proton Grotthuss transfer channels are first tunneled by shielding MnO 2 with hydrophilic‐zincophobic heterointerface, fulfilling the H + ‐dominating diffusion with the state‐of‐the‐art ZIBs performance. Local atomic structure and theoretical simulation confirm that surface‐engineered α‐MnO 2 affords to the synergy of Mn electron t 2g – e g activation, oxygen vacancy enrichment, selective H + Grotthuss transfer, and accelerated desolvation kinetics. Consequently, fortified α‐MnO 2 achieves prominent low current density cycle stability (≈100% capacity retention at 1 C after 400 cycles), remarkable long‐lifespan cycling performance (98% capacity retention at 20 C after 12 000 cycles), and ultrafast rate performance (up to 30 C). The study exemplifies a new approach of heterointerface engineering for regulation of H + ‐dominating Grotthuss transfer and lattice stabilization in α‐MnO 2 toward reliable ZIBs.
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