MnO2/Mn2+ chemistry: Charging protocol and electrolyte regulation

电解质 法拉第效率 歧化 阴极 甲磺酸 材料科学 阳极 化学工程 溶解 扫描电子显微镜 电化学 过电位 无机化学 电极 化学 催化作用 复合材料 物理化学 有机化学 工程类
作者
Huan Wang,Tongshuai Wang,Graham Stevenson,Mylad Chamoun,Rakel Wreland Lindström
出处
期刊:Energy Storage Materials [Elsevier BV]
卷期号:63: 103008-103008 被引量:8
标识
DOI:10.1016/j.ensm.2023.103008
摘要

Aqueous rechargeable Zn-MnO2 batteries based on the dissolution/deposition mechanism of MnO2/Mn2+ are gaining increasing attention due to their high capacity and structural simplicity. One of the major concerns is the Mn2+/Mn3+ side reaction, which hampers the coulombic efficiency (CE) due to Mn3+(aq) disproportionation. However, factors affecting Mn3+ formation have not been systematically investigated. In this study, we utilized in situ optical microscopy and Scanning Electron Microscopy (SEM) to evaluate the formation of Mn3+ by observing its disproportionation product: the randomly deposited MnO2. We found that an excessively high charging voltage and a low electrolyte pH (pH<4.2) were shown to adversely accelerate Mn3+ formation. Most reports on the Mn2+/MnO2 cathode indicate a coulombic efficiency of only 80 % on carbon felt (thickness: 2.5 mm) at 2 mAh/cm2 due to the inherently low electrical conductivity of MnO2. Here with the optimized charging protocol and the utilization of the anode-friendly, methanesulfonic acid (MSA)-containing electrolyte, we achieved a CE of nearly 100 % for up to 200 cycles at 2 mAh/cm2. This work gives guidelines on the electrolyte design and charging protocol optimization towards high-performance MnO2/Mn2+ cathodes.
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