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Layered Birnessite Cathode with a Displacement/Intercalation Mechanism for High-Performance Aqueous Zinc-Ion Batteries

阴极 电化学 水溶液 材料科学 插层(化学) 双锰矿 离子 电池(电) 化学工程 吸附 无机化学 电极 化学 冶金 物理化学 氧化锰 有机化学 功率(物理) 工程类 物理 量子力学
作者
Xian‐Zhi Zhai,Jin Qu,Shu-Meng Hao,Ya-Qiong Jing,Wei Chang,Juan Wang,Wei Li,Yasmine Abdelkrim,Hongfu Yuan,Zhong‐Zhen Yu
出处
期刊:Nano-micro Letters [Springer Science+Business Media]
卷期号:12 (1) 被引量:144
标识
DOI:10.1007/s40820-020-0397-3
摘要

Abstract Mn-based rechargeable aqueous zinc-ion batteries (ZIBs) are highly promising because of their high operating voltages, attractive energy densities, and eco-friendliness. However, the electrochemical performances of Mn-based cathodes usually suffer from their serious structure transformation upon charge/discharge cycling. Herein, we report a layered sodium-ion/crystal water co-intercalated Birnessite cathode with the formula of Na 0.55 Mn 2 O 4 ·0.57H 2 O (NMOH) for high-performance aqueous ZIBs. A displacement/intercalation electrochemical mechanism was confirmed in the Mn-based cathode for the first time. Na + and crystal water enlarge the interlayer distance to enhance the insertion of Zn 2+ , and some sodium ions are replaced with Zn 2+ in the first cycle to further stabilize the layered structure for subsequent reversible Zn 2+ /H + insertion/extraction, resulting in exceptional specific capacities and satisfactory structural stabilities. Additionally, a pseudo-capacitance derived from the surface-adsorbed Na + also contributes to the electrochemical performances. The NMOH cathode not only delivers high reversible capacities of 389.8 and 87.1 mA h g −1 at current densities of 200 and 1500 mA g −1 , respectively, but also maintains a good long-cycling performance of 201.6 mA h g −1 at a high current density of 500 mA g −1 after 400 cycles, which makes the NMOH cathode competitive for practical applications.
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