Hochvolt-Manganoxid-Kathode mit Zwei-Elektronen-Transfer, ermöglicht durch ein Phosphat-Protonenreservoir für wässrige Zinkbatterien

MnO2-Kathoden unterliegen typischerweise einem Ein-Elektronen-Transfer in wässrigen Zinkbatterien. Die Zwei-Elektronen-MnO2/Mn2+-Reaktion bietet doppelte Kapazität und höhere Spannung. Dies erfordert jedoch eine stark saure Umgebung, die die Zinkmetall-Anode herausfordert. Hier präsentieren wir ein Protonenreservoir für die MnO2/Mn2+-Reaktion. Zinkhydrophosphat wird zusammen mit MnO2 an der Kathode co-deponiert. Letzteres deprotoniert, um Protonen freizusetzen und die Reduktion von MnO2 zu Mn2+ zu verstärken. Das resultierende Zinkphosphat interagiert weiter mit MnO2 und sorgt für spontane Wasserdesorption von der MnO2-Oberfläche, wie durch theoretische Berechnungen revealed, was den Lösungsprozess erleichtert. Die Hydrophosphat-Spezies wird reversibel bei Ladung erzeugt. Basierend auf diesem Reaktionsmechanismus erzielt die Kathode eine hohe Entlade-Spannung von 1,75 V. Sie liefert auch eine Kapazität von 0,99 mAh cm–2 bei 99 % Coulombic-Effizienz. Eine stabile Kapazitätsbeibehaltung wird über mehr als 3000 Zyklen realisiert. Diese Arbeit demonstriert eine effektive Strategie, um den Zwei-Elektronen-Prozess von MnO2-Kathodenmaterialien in wässrigen Zinkbatterien zu erschließen.