Boosting Zn-ion storage capability of self-standing Zn-doped Co3O4 nanowire array as advanced cathodes for high-performance wearable aqueous rechargeable Co//Zn batteries

材料科学 阴极 电池(电) 水溶液 纳米线 储能 化学工程 电导率 纳米技术 电极 电化学 电气工程 化学 物理 工程类 物理化学 功率(物理) 量子力学
作者
Qiulong Li,Qichong Zhang,Zhengyu Zhou,Wenbin Gong,Chenglong Liu,Yongbao Feng,Guo Hong,Yagang Yao
出处
期刊:Nano Research [Springer Nature]
卷期号:14 (1): 91-99 被引量:50
标识
DOI:10.1007/s12274-020-3046-8
摘要

Neutral aqueous rechargeable Co3O4//Zn batteries with high-output voltage and outstanding cycling stability have yielded new insights into wearable energy-storage devices. To meet the increasing demand for a means of powering wearable and portable devices, the development of a high-performance fiber-shaped Co//Zn battery would be highly desirable. However, the intrinsically poor conductivity of Co3O4 significantly restricts the application of these high-capacity and high-rate aqueous rechargeable battery. Encouragingly, density functional theory (DFT) calculations demonstrate that the substitution of Zn for Co3+ leads to an insulator-metal transition in the Zn-doped Co3O4 (Zn-Co3O4). In this study, we used metallic Zn-Co3O4 nanowire arrays (NWAs) as a novel binder-free cathode to successfully fabricate an all-solid-state fiber-shaped aqueous rechargeable (AFAR) Co//Zn battery. The resulting fiber-shaped Co//Zn battery takes advantage of the enhanced conductivity, increased capacity, and improved rate capability of Zn-Co3O4 NWAs to yield a remarkable capacity of 1.25 mAh·cm−2 at a current density of 0.5 mA·cm−2, extraordinary rate capability (60.8% capacity retention at a high current density of 20 mA·cm−2) and an admirable energy density of 772.6 mWh·cm−3. Thus, the successful construction of Zn-Co3O4 NWAs provides valuable insights into the design of high-capacity and high-rate cathode materials for aqueous rechargeable high-voltage batteries.
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