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Mn2+ Ions Confined by Electrode Microskin for Aqueous Battery beyond Intercalation Capacity

插层(化学) 溶解 材料科学 电池(电) 水溶液 电极 范德瓦尔斯力 离子 化学工程 离子键合 阴极 无机化学 化学 分子 物理化学 有机化学 冶金 物理 工程类 量子力学 功率(物理)
作者
Yu Liu,Jian Zhi,Mina Sedighi,Mei Han,Qiuyu Shi,Yan Wu,Pu Chen
出处
期刊:Advanced Energy Materials [Wiley]
卷期号:10 (42) 被引量:45
标识
DOI:10.1002/aenm.202002578
摘要

Abstract In aqueous rechargeable zinc–manganese dioxide batteries (ZMBs), some irreversible side reactions, such as Mn 2+ dissolution, often lead to capacity fading over cycling. These side reactions play a crucial role in the capacity and cycle performance of the battery. The implementation of a bionic electrode microskin (EMS) composed of collagen hydrolysate to convert the irreversible side reactions into reversible reactions is reported. The proposed EMS effectively adsorbs and confines the Mn 2+ ions around the cathode through van der Waals forces, hydrogen bonds, and/or ionic interactions, which makes the MnO 2 /Mn 2+ reactions reversible during the charge/discharge process. Such Mn 2+ dissolution reactions, with an ultrahigh theoretical capacity (617 mAh g ‐1 ), contribute a large amount of capacity, ≈44% of the total specific capacity at a low scan rate. Based on these fundamental findings, the assembled ZMBs with an EMS display an unprecedented discharge capacity of 415 mAh g ‐1 at 20 mA g ‐1 , which overcomes the theoretical capacity (308 mAh g ‐1 ) limitation of the Zn 2+ intercalation mechanism. More significantly, the EMS on all α‐, β‐, and γ‐MnO 2 cathodes exhibits similar high capacity beyond the theoretical capacity of Zn intercalation and capacity retention enhancement after 3000 cycles.
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