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High-Energy and Long-Lived Zn–MnO2 Battery Enabled by a Hydrophobic-Ion-Conducting Membrane

阳极 阴极 电解质 电化学 电池(电) 材料科学 氧化还原 无机化学 离子 容量损失 化学工程 化学 电极 物理化学 功率(物理) 有机化学 工程类 物理 量子力学
作者
Yang-feng Cui,Zhen-bang Zhuang,Zi‐Long Xie,Renfei Cao,Qi Hao,Ning Zhang,Wanqiang Liu,Yunhai Zhu,Gang Huang
出处
期刊:ACS Nano [American Chemical Society]
卷期号:16 (12): 20730-20738 被引量:36
标识
DOI:10.1021/acsnano.2c07792
摘要

Alkaline Zn-MnO2 batteries feature high security, low cost, and environmental friendliness while suffering from severe electrochemical irreversibility for both the Zn anode and MnO2 cathode. Although neutral electrolytes are supposed to improve the reversibility of the Zn anode, the MnO2 cathode indeed experiences a capacity degradation caused by the Jahn-Teller effect of the Mn3+ ion, thus shortening the lifespan of the neutral Zn-MnO2 batteries. Theoretically, the MnO2 cathode undergoes a highly reversible two-electron redox reaction of the MnO2/Mn2+ couple in strongly acidic electrolytes. However, acidic electrolytes would inevitably accelerate the corrosion of the Zn anode, making long-lived acidic Zn-MnO2 batteries impossible. Herein, to overcome the challenges faced by Zn-MnO2 batteries, we propose a hybrid Zn-MnO2 battery (HZMB) by coupling the neutral Zn anode with the acidic MnO2 cathode, wherein the neutral anode and acidic cathode are separated by a proton-shuttle-shielding and hydrophobic-ion-conducting membrane. Benefiting from the optimized reaction conditions for both the MnO2 cathode and Zn anode as well as the well-designed membrane, the HZMB exhibits a high working voltage of 2.05 V and a long lifespan of 2275 h (2000 cycles), breaking through the limitations of Zn-MnO2 batteries in terms of voltage and cycle life.
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