Ultrathin Polyaniline-Coated Single-Crystalline Mn2O3 Nanoporous Ellipsoids with High Energy Density and Cyclability for Low-Cost Zinc-Ion Batteries

纳米孔 材料科学 聚苯胺 阴极 化学工程 电化学 储能 电解质 水溶液 聚合 纳米技术 复合材料 聚合物 电极 化学 物理 工程类 功率(物理) 物理化学 量子力学
作者
Yanyi Zhang,Xiaorong Lin,Xiaowei Tang,Kailong Hu,Xi Lin,Guoqiang Xie,Xingjun Liu,Huajun Qiu
出处
期刊:ACS applied nano materials [American Chemical Society]
卷期号:5 (9): 12729-12736 被引量:7
标识
DOI:10.1021/acsanm.2c02627
摘要

Secondary Zn-ion batteries (ZIBs) using aqueous electrolytes are very promising for safe and large-scale energy storage in the future. However, we still lack suitable cathode materials with high energy density and durability for Zn2+ storage. Herein, a three-dimensional nanoporous microellipsoid Mn2O3 covered with an ultrathin layer of polyaniline (PANI) composite (Mn2O3/PANI) is developed for advanced ZIBs. The synthesis of Mn2O3/PANI is quite easy: nanoporous Mn2O3 (which is obtained from the pyrolysis of MnCO3) is immersed into aniline, and the subsequent self-initiated polymerization of PANI will cover the Mn2O3 surface. The bicontinuous nanoporous structure with a pore size of ∼30 nm facilitates ion diffusion and provides an active interface for fast zinc-ion storage. Moreover, the uniformly coated ultrathin PANI cover not only inhibits Mn2O3 dissolution and protects the structural integrity but also provides a fast electron transport network during charge/discharge. Consequently, the designed Mn2O3/PANI achieves a high energy capacity, a high rate performance, and a much longer lifetime (86.6% capacity retention over 2000 cycles at 1 A g–1), outperforming those of most reported cathode materials. Detailed electrochemical studies and characterizations demonstrate that the H+ and Zn2+ coinsertion mechanism and the PANI cover can enlarge the Zn-ion diffusion coefficient. This work introduces a facile route to develop 3D bicontinuous nanoporous Mn2O3/PANI composites for highly reversible ZIBs.
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