Achieving High Performance β-MnO2 Cathode by Coating Tannic Acid in Aqueous Rechargeable Zinc-ion Batteries

Abstract

Aqueous zinc-ion batteries (ZIBs) are attractive energy storage systems for a variety of reasons such as high safety, high capacity, abundant resources, and low cost. However, because of the usage of an aqueous electrolyte, the dissolution of cathode materials into the electrolyte is a significant constraint of ZIBs’ cycle performance. This can decrease battery capacity and shorten the life cycle. Manganese dioxide is widely used as the cathode material for ZIBs. β-MnO2 is used in this research and interestingly, we show that after discharging, the tunnel structure of cathode material changed into a layered structure, and this phase transition occurs reversibly during charging and discharging proceeds. This work investigates a protective coating layer of non-toxic polyphenol tannic acid (TA) to address that challenge. TA was chosen due to lots of hydroxyl group of TA, which is good at electrolyte wetting and thus increasing ionic conductivity. Based on mild-acidic electrolyte, TA coated β-MnO2 cathode shows a high discharge capacity of 268.24 mAh g-1 at current of 100 mA g-1 and 86.77% of high capacity retention after 50 cycles. This study provides a new coating material, TA development of Zn//MnO2 battery chemistry, and further improvement of large-energy storage system through high electrochemical performance.;수계아연이차전지 (Aqueous Zinc-ion Batteries, AZIBs)는 높은 안전성, 높은 용량, 풍부한 자원 및 낮은 비용과 같은 다양한 이유로 유망한 에너지 저장 시스템입니다. 그러나 수계 전해질의 사용으로 인해 양극 재료가 전해질로 용출되는 것은 배터리 용량을 감소시키고 수명 주기를 단축시킬 수 있기 때문에 수계아연이차전지의 사이클 성능에 있어서 큰 제약 조건입니다. 망간계 산화물은 수계아연이차전지의 양극 재료로 널리 사용됩니다. β-MnO2는 이 연구에서 사용되며 흥미롭게도 이 양극 물질은 방전 후 터널 구조가 층상 구조로 변화하고 이러한 상변화가 충전 및 방전이 진행되는 동안 가역적으로 발생합니다. 본 연구는 이러한 문제를 해결하기 위해 독성이 없는 물질인 폴리페놀 탄닌산 (Tannic Acid, TA)을 양극 코팅 물질로 도입했습니다. TA는 OH기가 많아 전해질 함침에 좋고 이로 인해 이온 이동성을 증가시켜주는 역할을 하며 이온 전도도를 증가시킨다는 장점을 가지고 있습니다. TA가 코팅된 β-MnO2 양극은 100mA g-1의 전류에서 268.24mAh g-1의 높은 방전 용량을 보이고 50사이클 후 86.77%의 높은 용량 유지율을 보여줍니다. 본 연구는 새로운 코팅 물질인 TA로 Zn//MnO2 배터리 화학의 개발과 높은 전기화학적 성능을 통한 대용량 저장 시스템의 발전에 기여하고 있습니다.