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Unraveling the Charge Storage Mechanism of β-MnO2 in Aqueous Zinc Electrolytes
ACS Energy Letters ( IF 19.3 ) Pub Date : 2024-11-08 , DOI: 10.1021/acsenergylett.4c02559 LangYuan Wu, ZhiWei Li, YuXuan Xiang, WenDi Dong, HaiYang Wu, YingHong Xu, ZhenXiao Ling, Munseok S. Chae, Daniel Sharon, Netanel Shpigel, XiaoGang Zhang
ACS Energy Letters ( IF 19.3 ) Pub Date : 2024-11-08 , DOI: 10.1021/acsenergylett.4c02559 LangYuan Wu, ZhiWei Li, YuXuan Xiang, WenDi Dong, HaiYang Wu, YingHong Xu, ZhenXiao Ling, Munseok S. Chae, Daniel Sharon, Netanel Shpigel, XiaoGang Zhang
MnO2-based zinc-ion batteries have emerged as a promising candidate for next-generation energy storage systems. Despite extensive research on MnO2 electrodes, the charging mechanism in mildly acidic electrolytes remains debated. Most studies have focused on α-MnO2, and this study aims to shed light on the identity of the charge carrier in β-MnO2 and the role of the Mn2+ cations. By employing in situ EQCM-D measurements, along with ssNMR, XRD, TEM, and in situ pH monitoring, we demonstrated that the charging mechanism is primarily governed by proton de/intercalation. Compared to α-MnO2, with its larger 2 × 2 tunnels that accommodate hydronium ions, the β-phase has smaller 1 × 1 tunnels, permitting only the insertion of bare protons. During cycling, we observed the formation of new phases on β-MnO2 originating from the repetitive electrodeposition/dissolution of Mn2+. In addition, these phases can reversibly host hydronium ions, resulting in a mixed charging mechanism that involves the insertion of both H3O+ and H+.
中文翻译:
揭示 β-MnO2 在水性锌电解质中的电荷储存机制
MnO2 基锌离子电池已成为下一代储能系统的有前途的候选者。尽管对 MnO2 电极进行了广泛的研究,但弱酸性电解质中的充电机制仍然存在争议。大多数研究都集中在 α-MnO2 上,本研究旨在阐明 β-MnO2 中电荷载流子的身份以及 Mn2+ 阳离子的作用。通过采用原位 EQCM-D 测量以及 ssNMR、XRD、TEM 和原位 pH 监测,我们证明了充电机制主要由质子去/插层控制。与 α-MnO2 相比,β相具有更大的 2 × 2 个容纳水合氢离子的隧道,而 相具有较小的 1 × 1 个隧道,只允许插入裸质子。在循环过程中,我们观察到 β-MnO2 上形成的新相源于 Mn2+ 的重复电沉积/溶解。此外,这些相可以可逆地承载水合氢离子,从而产生涉及 H3O+ 和 H+ 插入的混合充电机制。
更新日期:2024-11-08
中文翻译:
揭示 β-MnO2 在水性锌电解质中的电荷储存机制
MnO2 基锌离子电池已成为下一代储能系统的有前途的候选者。尽管对 MnO2 电极进行了广泛的研究,但弱酸性电解质中的充电机制仍然存在争议。大多数研究都集中在 α-MnO2 上,本研究旨在阐明 β-MnO2 中电荷载流子的身份以及 Mn2+ 阳离子的作用。通过采用原位 EQCM-D 测量以及 ssNMR、XRD、TEM 和原位 pH 监测,我们证明了充电机制主要由质子去/插层控制。与 α-MnO2 相比,β相具有更大的 2 × 2 个容纳水合氢离子的隧道,而 相具有较小的 1 × 1 个隧道,只允许插入裸质子。在循环过程中,我们观察到 β-MnO2 上形成的新相源于 Mn2+ 的重复电沉积/溶解。此外,这些相可以可逆地承载水合氢离子,从而产生涉及 H3O+ 和 H+ 插入的混合充电机制。