Interface‐Controlled Redox Chemistry in Aqueous Mn2⁺/MnO₂ Batteries

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作者
Xinzhe Xue,Zhen Liu,Swetha Chandrasekaran,Samuel Eisenberg,C. Althaus,Megan C. Freyman,Anica Pinongcos,Qiu Ren,Logan Valdovinos,C Hsieh,Bintao Hu,Bruce Dunn,Christine A. Orme,Xiao Wang,Marcus A. Worsley,Yat Li
出处
期刊:Advanced Materials [Wiley]
被引量:5
标识
DOI:10.1002/adma.202419505
摘要

Abstract Manganese dioxide (MnO 2 ) deposition/dissolution (Mn 2+ /MnO 2 ) chemistry, involving a two‐electron‐transfer process, holds promise for safe and eco‐friendly large‐scale energy storage. However, challenges like electrode/electrolyte interface environment fluctuations (H + and H 2 O activity), irreversible Mn degradation, and limited understanding of degradation mechanisms hinder the reversibility of the Mn 2+ /MnO 2 conversion. This study demonstrates a vanadyl/pervanadyl (VO 2+ /VO 2 + ) redox‐mediated interface designed for high‐energy Mn 2+ /MnO 2 batteries. Unlike flow systems, this work uncovers, for the first time, the mechanism of a static redox‐mediated interface in regulating interfacial H + and H 2 O activities. Significantly, the VO 2+ /VO 2 + chemical redox mediation targets Mn 3+ intermediates, suppressing their hydrolysis and enabling 100% Mn 2+ /MnO 2 conversion. The redox‐mediated interface enhances the Mn redox electron transfer process, achieving a stable ≈95% coulombic efficiency and ultrahigh capacity of 100 mAh cm − 2 with an areal energy density of 111 mWh cm − 2 , outperforming flow systems. The electrode also exhibits an average specific capacity of 593 mAh g −1 , approaching the theoretical limit of 616 mAh g −1 , and a specific energy density of 721 Wh kg −1 at high MnO 2 loadings (50–150 mg cm −2 ). The findings highlight the critical role of interfacial redox mediation in regulating H + and H 2 O activities and underscore the significance of interface dynamics.
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