Accessing the Two‐Electron Charge Storage Capacity of MnO2 in Mild Aqueous Electrolytes

材料科学 重量分析 法拉第效率 水溶液 电解质 离子 电化学 化学工程 储能 无机化学 电极 化学 物理化学 热力学 有机化学 物理 功率(物理) 工程类
作者
Mickaël Mateos,Nikolina Makivić,Yee‐Seul Kim,Benoı̂t Limoges,Véronique Balland
出处
期刊:Advanced Energy Materials [Wiley]
卷期号:10 (23) 被引量:97
标识
DOI:10.1002/aenm.202000332
摘要

Abstract Rechargeable batteries based on MnO 2 cathodes, able to operate in mild aqueous electrolytes, have attracted attention due to their appealing features for the design of low‐cost stationary energy storage devices. However, the charge/discharge mechanism of MnO 2 in such media is still a matter of debate. Here, an in‐depth quantitative spectroelectrochemical analysis of MnO 2 thin‐films provides a set of unrivaled mechanistic insights. A major finding is that charge storage occurs through the reversible two‐electron faradaic conversion of MnO 2 into Mn 2+ in the presence of a wide range of weak Brønsted acids, including the [Zn(H 2 O) 6 ] 2+ or [Mn(H 2 O) 6 ] 2+ complexes present in aqueous Zn/MnO 2 batteries. Furthermore, it is shown that buffered electrolytes loaded with Mn 2+ are ideal to achieve highly reversible conversion of MnO 2 with both high gravimetric capacity and remarkably stable charging/discharging potentials. In the most favorable case, a record gravimetric capacity of 450 mA·h·g −1 is obtained at a high rate of 1.6 A·g −1 , with a Coulombic efficiency close to 100% and a MnO 2 utilization of 84%. Overall, the present results challenge the common view on MnO 2 the charge storage mechanism in mild aqueous electrolytes and underline the benefit of buffered electrolytes for high‐performance rechargeable aqueous batteries.
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