Unraveling the Charge Storage Mechanism of β-MnO2 in Aqueous Zinc Electrolytes

电解质 机制(生物学) 水溶液 电荷(物理) 材料科学 化学 化学工程 无机化学 纳米技术 冶金 物理 物理化学 工程类 电极 量子力学
作者
Langyuan Wu,Zhiwei Li,Yuxuan Xiang,WenDi Dong,HaiYang Wu,Yinghong Xu,Zhenxiao Ling,Munseok S. Chae,Daniel Sharon,Netanel Shpigel,Xiaogang Zhang
出处
期刊:ACS energy letters [American Chemical Society]
卷期号:: 5801-5809
标识
DOI:10.1021/acsenergylett.4c02559
摘要

MnO2-based zinc-ion batteries have emerged as a promising candidate for next-generation energy storage systems. Despite extensive research on MnO2 electrodes, the charging mechanism in mildly acidic electrolytes remains debated. Most studies have focused on α-MnO2, and this study aims to shed light on the identity of the charge carrier in β-MnO2 and the role of the Mn2+ cations. By employing in situ EQCM-D measurements, along with ssNMR, XRD, TEM, and in situ pH monitoring, we demonstrated that the charging mechanism is primarily governed by proton de/intercalation. Compared to α-MnO2, with its larger 2 × 2 tunnels that accommodate hydronium ions, the β-phase has smaller 1 × 1 tunnels, permitting only the insertion of bare protons. During cycling, we observed the formation of new phases on β-MnO2 originating from the repetitive electrodeposition/dissolution of Mn2+. In addition, these phases can reversibly host hydronium ions, resulting in a mixed charging mechanism that involves the insertion of both H3O+ and H+.
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