阳离子掺杂{\alpha}-MnO2 中的电荷存储
材料科学
2014-12-15 v2
摘要
利用{\alpha}-MnO2 的电化学超级电容器提供了同时实现高功率密度和高能量密度的可能性。不幸的是，{\alpha}-MnO2 中电化学电荷存储的机制以及工作条件对该机制的影响通常尚未被充分理解。在此，我们提出了{\alpha}-MnO2 的首个详细电荷存储机制，并结合理论电化学与能带结构分析，解释了{\alpha}-MnO2 与{\beta}-MnO2 之间的容量差异。我们确定了能隙、功函数、零电荷点、电极材料的隧道尺寸，以及电解液的 pH 值和稳定窗口在决定特定电极材料可行性方面的重要性。{\alpha}-MnO2 的高容量源于能隙中由阳离子诱导的电荷切换态，这些态与电解液允许的扫描电势重叠。电荷切换态起源于掺入材料中的间隙和取代阳离子（H+、Li+、Na+ 和 K+）。研究发现，间隙阳离子通过稳定来自导带的 Mn-O 反键轨道来诱导电荷切换态。取代阳离子则与由 Mn 空位从价带去稳定化的 O[2p] 悬挂键相互作用，从而诱导电荷切换态。我们计算了这些态被还原时的平衡电化学电势，并预测了电化学工作条件对其电荷存储贡献的影响。我们报道的机制和理论方法具有普适性，可用于通过离子掺杂计算筛选具有改进电荷存储性能的新材料。
引用
@article{arxiv.1406.6022,
title = {Charge Storage in Cation Incorporated {\alpha}-MnO2},
author = {Matthias J. Young and Aaron M. Holder and Steven M. George and Charles B. Musgrave},
journal= {arXiv preprint arXiv:1406.6022},
year = {2014}
}
备注
The first two authors provided equal contributions and are co-first authors