Universal multifunctional hydrogen bond network construction strategy for enhanced aqueous Zn2+/proton hybrid batteries

材料科学 氢键 水溶液 溶解 分子内力 氢气储存 氧化钒 氧化物 电化学 扩散 化学工程 纳米技术 分子 电极 复合材料 物理化学 热力学 冶金 化学 有机化学 物理 合金 工程类
作者
Ming Li,Yuxin Zhang,Jisong Hu,Xuanpeng Wang,Jiexin Zhu,Chaojiang Niu,Chunhua Han,Liqiang Mai
出处
期刊:Nano Energy [Elsevier BV]
卷期号:100: 107539-107539 被引量:63
标识
DOI:10.1016/j.nanoen.2022.107539
摘要

Aqueous rechargeable zinc-ion batteries (AZIBs) are in a period of vigorous development due to their unparalleled advantages, including low cost, high safety and environmentally friendly etc. However, the structural damage, dissolution, low conductivity of electrode materials and slow diffusion kinetics of Zn2+ ions carriers significantly limit the development of AZIBs. Herein, for the first time, we propose a general strategy for constructing multifunctional intramolecular hydrogen bond network through N-H∙∙∙O (NH4+) and O-H∙∙∙O (H2O) bonds while suppressing material dissolution (V, Mn species), enhancing the stability of layered structures, and accelerating the rapid diffusion of protons. To better reveal the hydrogen bond and enhanced proton transport, a range of in/ex-situ characterization techniques in conjunction with DFT calculations have been implemented. As a proof of concept, this strategy has proven to be universally applicable, with both vanadium oxide (400.6 Wh kg−1/6489.3 W kg−1, 85% over 4000 cycles) and manganese oxide (433.6 Wh kg−1/2972.8 W kg−1, 100% after 500 cycles) achieving significant electrochemical performance improvements, particularly in terms of rate performance and cycle performance, which are better than most comparable materials. The insights obtained in this study have deepened the understanding based on the hydrogen bond in AZIBs and also brought new opportunities for improving the energy density of other types of aqueous batteries in the future.
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