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Anion Vacancies Coupling with Heterostructures Enable Advanced Aerogel Cathode for Ultrafast Aqueous Zinc‐Ion Storage

材料科学 阴极 密度泛函理论 水溶液 气凝胶 电化学 异质结 储能 离子 纳米技术 化学工程 电极 物理化学 光电子学 计算化学 化学 工程类 物理 功率(物理) 有机化学 量子力学
作者
Yirong Zhu,Rui Zhao,Yuting Xu,Wenhao Chen,Zhongliang Hu,Liujiang Xi,Yujia Xie,Hongshuai Hou,Tongchao Liu,Khalil Amine,Xiaobo Ji,Guoqiang Zou
出处
期刊:Advanced Materials [Wiley]
卷期号:37 (17): e2419582-e2419582 被引量:56
标识
DOI:10.1002/adma.202419582
摘要

As a potential cathode material, manganese-based sulfide has recently attracted increasing interest due to its many advantages in aqueous zinc-ion storage. Unfortunately, some challenges such as sluggish kinetics, unstable structure, and controversial phase transition mechanism during the energy storage process hinder its practical application. Herein, inspired by density functional theory (DFT) calculations, a novel 3D sulfur vacancy-rich and heterostructured MnS/MXene aerogel is designed, and used as a cathode for aqueous Zn-ion batteries/hybrid capacitors (ZIBs/ZICs) for the first time. Thanks to the synergistic modification strategy of sulfur vacancies and heterostructures, the as-constructed MnS/MXene//Zn ZIBs exhibit significantly enhanced electrochemical properties, especially outstanding rate capability and cyclic stability. More encouragingly, the as-assembled MnS/MXene//porous carbon (PC) ZICs exhibit an ultrahigh energy density, a high power density, and a splendid cycling lifespan. Most notably, systematic kinetic analyses, ex situ characterizations, and DFT calculations illustrate that MnS/MXene first irreversibly converts into MnOx@ZnMnO3/MXene, and then undergoes a reversible conversion from MnOx@ZnMnO3/MXene to MnOOH@ZnMn2O4/MXene, accompanied by the co-insertion/extraction of H+ and Zn2+. The synergistic modification strategy of sulfur vacancies and heterostructures and the thorough mechanistic study proposed in this work offer valuable guidance for designing and exploiting high-performance cathodes in aqueous zinc-based energy storage devices.
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