Wässrige Zn-MnO2-Batterie: Annäherung an die Energiespeichergrenze mit tiefer Zn2+-Vorinterkalation und Aufdeckung der Ionen-Einfüge-/Entzugsmechanismen

Wiederaufladbare wässrige Zinkionenbatterien (AZIBs) gelten als einer der vielversprechendsten Kandidaten für die großflächige Energiespeicherung aufgrund der Merkmale hoher Sicherheit und Kostengünstigkeit. Als Kathodenmaterial für AZIBs besitzt MnO2 große Vorteile, war jedoch aufgrund der langsamen Diffusionskinetik von Zn2+ während elektrochemischer Vorgänge stark eingeschränkt. Hier wurde die tiefe interkalierte Zn2+-Ionen-Delta-MnO2 (Zn-MnO2) durch eine in situ elektrochemische Abscheideroute erzielt, die die Diffusionsfähigkeit von Zn2+ erheblich steigerte, was auf die synergistischen Effekte von Zn2+-Säulen und strukturellem H2O zurückzuführen ist. Die resultierenden auf Zn-MnO2 basierenden AZIBs liefern eine Rekordkapazität von 696 mAh/g (0,5 mAh/cm(2)) basierend auf der ursprünglichen Masse, was der theoretischen Kapazität von MnO2 mit einer Zwei-Elektronen-Reaktion nahekommt. In-situ-Raman-Studien zeigen hoch reversible Einfüge-/Entzugsverhalten von Zn2+-Ionen und hier spielt das Zn-MnO2 während des Lade-Entlade-Prozesses die Rolle eines Behälters. Weitere Untersuchungen zur Ladungsspeichermechanik weisen darauf hin, dass die Einfügung/Entziehung von Zn2+ und H+ zusammenfällt, und dieser Prozess wird erheblich durch die überlegenen schichtartigen Konfigurationen von Zn-MnO2 erleichtert. Die hervorragende elektrochemische Leistung von Zn-MnO2, die in dieser Arbeit erreicht wurde, deutet darauf hin, dass die Strategie der tiefen Ionen-Vorinterkalation zukünftige Entwicklungen fortschrittlicher Kathoden für AZIBs unterstützen könnte. (C) 2021 Science Press und Dalian Institute of Chemical Physics, Chinesische Akademie der Wissenschaften. Veröffentlicht von ELSEVIER B.V. und Science Press. Alle Rechte vorbehalten.