Investigation of the water-stimulated Mg2+ insertion mechanism in an electrodeposited MnO2 cathode using X-ray photoelectron spectroscopy

文献情報

出版日 2018-01-02
DOI 10.1039/C7CP06312A
インパクトファクター 3.676
著者

Emily Sahadeo, Jaehee Song, Karen Gaskell, Nam Kim, Sang Bok Lee


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要旨

Batteries based on magnesium chemistry are being widely investigated as an alternative energy storage system to replace lithium-ion batteries. Mg batteries have multiple challenges, especially on the cathode side. The divalent Mg ion has slow insertion kinetics in many metal oxide cathodes conventionally used in Li-ion batteries. One solution that has been explored is adding water molecules into an organic electrolyte, which has been shown to aid in Mg insertion and improve performance of manganese oxide (MnO2) cathodes. While there have been studies on Mg insertion mechanisms into MnO2 in solely aqueous or organic electrolytes for some crystalline MnO2 polymorphs, our work is focused on water-containing organic electrolyte, where an H2O to Mg ratio of 6 : 1 is present. In this study, we report results based on ex situ XPS experiments, including both angle resolved and depth profiling studies to assess the surface reactions and determine the mechanism of Mg insertion into an amorphous, electrodeposited MnO2 cathode. We propose that in this mixed electrolyte system, there is a combined insertion/conversion reaction mechanism whereby Mg and H2O molecules co-insert into the MnO2 structure and a reaction between H2O and Mg creates an observable Mg(OH)2 layer at the surface of the MnO2. A more full understanding of the role of the water molecules is important to aid in the future design of cathode materials, especially when determining potential ways to integrate metal oxides in Mg batteries.

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掲載誌

Physical Chemistry Chemical Physics

Physical Chemistry Chemical Physics
CiteScore: 5.5
自己引用率: 10.3%
年間論文数: 3036

Physical Chemistry Chemical Physics (PCCP) is an international journal co-owned by 19 physical chemistry and physics societies from around the world. This journal publishes original, cutting-edge research in physical chemistry, chemical physics and biophysical chemistry. To be suitable for publication in PCCP, articles must include significant innovation and/or insight into physical chemistry; this is the most important criterion that reviewers and Editors will judge against when evaluating submissions. The journal has a broad scope and welcomes contributions spanning experiment, theory, computation and data science. Topical coverage includes spectroscopy, dynamics, kinetics, statistical mechanics, thermodynamics, electrochemistry, catalysis, surface science, quantum mechanics, quantum computing and machine learning. Interdisciplinary research areas such as polymers and soft matter, materials, nanoscience, energy, surfaces/interfaces, and biophysical chemistry are welcomed if they demonstrate significant innovation and/or insight into physical chemistry. Joined experimental/theoretical studies are particularly appreciated when complementary and based on up-to-date approaches.

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