Construction and Zn Storage Performance of Three Dimensional Porous MnOx@In2O3 Cubes

doi:10.7503/cjcu20200896

Abstract

Abstract:

Mn-based oxides have been widely researched as the cathode of Zn-ion batteries due to their high capacity and low-cost. However， their phase transformation， dissolution of Mn and unstable electrode/electrolyte interphase during cycling cause poor cycle lifespan， especially poor lifespan at low current densities and high discharge depth. In this work， three-dimensional（3D） porous MnO_x cubes were prepared and then a In₂O₃ layer was coated on their surface to gain 3D porous MnO_x@In₂O₃ cubes. The rich pores with size about 10 nm are beneficial to the rapid transport of H⁺and Zn²⁺， In₂O₃ coating layer is beneficial to suppressing the dissolution of Mn and phase transformation of MnO_x electrodes and stabilize the electrode/electrolyte interphase during cycling. The 3D porous MnO_x@In₂O₃ electrodes deliver high capacity of 260 mA·h/g after 400 stable cycles at a small current density of 0.3 A/g， which is much better than most of reports. Besides， it also delivers high capacity of 81 mA·h/g after 4000 stable cycles at 1.8 A/g， high capacity of 73.4 mA·h/g even at high current density of 6.0 A/g. The Galvanostatic intermittent titration technique（GITT） and CV results reveal 3D porous MnO_x@In₂O₃ electrode has lower electrochemical polarization and large diffusion coefficient than those of 3D porous MnO_x electrode. The electrochemical impedance spectra results demonstrate 3D porous MnO_x@In₂O₃electrode has more stable electrode/electrolyte interphase than that of 3D porous MnO_x electrode. The SEM images of 3D porous MnO_x@In₂O₃ electrode suffered 2000 cycles show a little In₂O₃ still dispersing on the MnO_x surface， which ensures the structure stability and stable cyclability.

Key words: Zn-ion battery, Cathode, Mn-based oxide, Three dimensional porous, In₂O₃ Coating layer

CLC Number:

O646

TrendMD:

FAN Xiaoyong, WU Yan, SUN Ruibo, GOU Lei, LI Donglin. Construction and Zn Storage Performance of Three Dimensional Porous MnO_x@In₂O₃ Cubes[J]. Chem. J. Chinese Universities, 2021, 42(6): 1816.

Figures/Tables 13

References 45

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Material	Cycling performance(low rate)	Cycling performance(high rate)	Rate capability	Ref.
MnO@NGS	215 mA·h/g after 50 cycles at 100 mA/g	114.6 mA·h/g after 300 cycles at 500 mA/g	18.9 mA·h/g at 1.0 A/g	[34]
V?MnO₂	131 mA·h/g after 100 cycles at 66 mA/g	—	64 mA·h/g at 1.064 A/g	[35]
α?MnO₂	147 mA·h/g after 50 cycles at 83 mA/g	—	16 mA·h/g at 1.666 A/g	[36]
Cu?MnO	288 mA·h/g after 200 cycles at 150 mA/g	100 mA·h/g after 1000 cycles at 900 mA/g	156 mA·h/g at 0.9 A/g	[37]
Mn₂O₃	233 mA·h/g after 120 cycles at 308 mA/g	146 mA·h/g after 3000 cycles at 3080 mA/g	162 mA·h/g at 3.080 A/g	[38]
Mn₂O₃@PPy	230 mA·h/g after 130 cycles at 100 mA/g	—	75.6 mA·h/g at 2 A/g	[39]
Mn₂O₃/Al₂O₃	289 mA·h/g after 125 cycles at 300 mA/g	118 mA·h/g after 1100 cycles at 1500 mA/g		[40]
3D?NVO	487 mA·h/g after 50 cycles at 100 mA/g	135 mA·h/g after 3000 cycles at 10000 mA/g	142 mA·h/g at 10 A/g	[41]
Mn₃O₄@NC	280 mA·h/g after 80 cycles at 100 mA/g	97 mA·h/g after 700 cycles at 1000 mA/g		[42]
SSWM@Mn₃O₄	290 mA·h/g after 50 cycles at 100 mA/g	110 mA·h/g after 500 cycles at 500 mA/g	125 mA·h/g at 0.5 A/g	[43]
Mn₃O₄@C	390 mA·h/g after 50 cycles at 200 mA/g	84.1 mA·h/g after 12000 cycles at 50000 mA/g	133 mA·h/g at 5 A/g	[44]
MnO_x@NC	305 mA·h/g after 600 cycles at 500 mA/g	100 mA·h/g after 1600 cycles at 2000 mA/g		[45]
3D MnO_x@In₂O₃	260 mA·h/g after 400 cycles at 300 mA/g	81 mA·h/g after 4000 cycles at 1.8 A/g	73.4 mA·h/g at 6.0 A/g	This work

Material	Cycling performance(low rate)	Cycling performance(high rate)	Rate capability	Ref.
MnO@NGS	215 mA·h/g after 50 cycles at 100 mA/g	114.6 mA·h/g after 300 cycles at 500 mA/g	18.9 mA·h/g at 1.0 A/g	[34]
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α?MnO₂	147 mA·h/g after 50 cycles at 83 mA/g	—	16 mA·h/g at 1.666 A/g	[36]
Cu?MnO	288 mA·h/g after 200 cycles at 150 mA/g	100 mA·h/g after 1000 cycles at 900 mA/g	156 mA·h/g at 0.9 A/g	[37]
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Mn₂O₃@PPy	230 mA·h/g after 130 cycles at 100 mA/g	—	75.6 mA·h/g at 2 A/g	[39]
Mn₂O₃/Al₂O₃	289 mA·h/g after 125 cycles at 300 mA/g	118 mA·h/g after 1100 cycles at 1500 mA/g		[40]
3D?NVO	487 mA·h/g after 50 cycles at 100 mA/g	135 mA·h/g after 3000 cycles at 10000 mA/g	142 mA·h/g at 10 A/g	[41]
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Peak	MnO_x	MnO_x@In₂O₃
1	0.42396	1.05873
2	0.88535	2.43143
3	1.05504	2.72165
4	1.55795	3.40846

Peak	MnO_x	MnO_x@In₂O₃
1	0.42396	1.05873
2	0.88535	2.43143
3	1.05504	2.72165
4	1.55795	3.40846

Construction and Zn Storage Performance of Three Dimensional Porous MnO_x@In₂O₃ Cubes

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