Abstract
Aqueous Zn-MnO2 batteries hold a promising potential for grid-scale energy storage applications due to their intrinsic safety, low fabrication cost, environmental friendliness and high theoretical energy densities. Developing novel nanostructured cathode materials with high discharge voltage, large capacity and excellent structural stability is one of the critical ways to achieve the high-performance aqueous Zn batteries. Enlighten by that, comprehending principles of materials design and identifying the challenges faced by the state-of-the-art MnO2 hosts are vital preconditions. Rather than a simple comparison, this review mainly focuses on design strategies regarding to MnO2-based materials, including defect engineering, interfacial engineering, and pre-intercalation engineering. In addition, the energy storage mechanisms of MnO2-based cathodes are discussed to clarify the complicated chemical reactions during battery cycling. Challenges and perspectives are outlined to guide the further development of advanced Zn-MnO2 batteries.
Article PDF
Similar content being viewed by others
Avoid common mistakes on your manuscript.
References
Suo L. M., Borodin O., Sun W., Fan X. L., Yang C. Y., Wang F., Gao T., Ma Z. H., Schroeder M., Von Cresce A., Russell S. M., Armand M., Angell A., Xu K., Wang C. S., Angew. Chem. Int. Ed., 2016, 128(25), 7252
Wang F., Suo L. M., Liang Y. J., Yang C. Y., Han F. D., Gao T., Sun W., Wang C. S., Adv. Energy Mater., 2016, 7(8), 1600922
Fang G. Z., Zhou J., Pan A. Q., Liang S. Q., ACS Energy Lett., 2018, 3(10), 2480
Liu N., Wu X., Fan L., Gong S., Guo Z., Chen A., Zhao C., Mao Y., Zhang N., Sun K., Adv. Mater., 2020, 32(42), e1908420
Wang S., Yuan Z., Zhang X., Bi S. S., Zhou Z., Tian J. L., Zhang Q. C., Niu Z. Q., Angew. Chem. Int. Ed., 2021, 60(13), 7056
Tang H., Chen W. H., Li N., Hu Z. L., Xiao L., Xie Y. J., Xi L. J., Ni L., Zhu Y. R., Energy Storage Mater., 2022, 48, 335
Shi X., Liu X. Y., Wang E. Z., Cao X. S., Yu Y. X., Cheng X. N., Lu X. H., Carbon Neutralization, 2022, 2(1), 28
Guo S., Liang S., Zhang B. S., Fang G. Z., Ma D., Zhou J., ACS Nano, 2019, 13(11), 13456
Zhang K., Han X., Hu Z., Zhang X. L., Tao Z. L., Chen J., Chem. Soc. Rev., 2015, 44(3), 699
Xiong T., Yu Z. G., Wu H. J., Du Y. H., Xie Q. D., Chen J. S., Zhang Y. W., Pennycook S. J., Lee W. S. V., Xue J. M., Adv. Energy Mater., 2019, 9(14), 1803815
Xiong T., Zhang Y. X., Lee W. S. V., Xue J. M., Adv. Energy Mater., 2020, 10(34), 2001769
Huang J., Tang X., Liu K., Fang G., He Z., Li Z., Mater. Today Energy, 2020, 17, 100475
Zhao Q. H., Song A. Y., Ding S. X., Qin R. Z., Cui Y. H., Li S. N., Pan F., Adv. Mater., 2020, 32(50), 2002450
Zhang Y., Yuan C. L., Ye K., Jiang X., Yin J. L., Wang. G. L., Cao D. X., Electrochim. Acta, 2014, 148, 237
Zhang Y., Deng S., Luo M., Pan G., Zeng Y., Lu X., Ai C., Liu Q., Xiong Q., Wang X., Xia X., Tu J., Small, 2019, 15(47), e1905452
Wei C. G., Xu C. J., Li B. H., Du H. D., Kang F. Y., J. Phys. Chem. Solids, 2012, 73(12), 1487
Wang Y., Huo W. C., Yuan X. Y., Zhang Y. X., Acta Mech. Solida Sin., 2020, 36(2), 1904007
Tang Y. J., Zheng S. S., Xu Y. X., Xiao X., Xue H. G., Pang H., Energy Storage Mater., 2018, 12, 284
Zhang N., Cheng F. Y., Liu J., Wang L., Long X., Liu X., Li F., Chen J., Nat. Commun., 2017, 8(1), 405
Lee B., Lee H. R., Kim H., Chung K. Y., Cho B. W., Oh S. H., Chem. Commun., 2015, 51(45), 9265
Lian S. T., Sun C. L., Xu W. N., Huo W. C., Luo Y. Z., Zhao K. N., Yao G., Xu W. W., Zhang Y. X., Li Z., Yu K. S., Zhao H. B., Cheng H. W., Zhang J. J., Mai L. Q., Nano Energy, 2019, 62, 79
Song M., Tan H., Chao D. L., Fan H. J., Adv. Funct. Mater., 2018, 28(41), 1802564
Shi W., Lee W. S. V., Xue J., ChemSusChem, 2021, 14(7), 1634
Yuan C. L., Zhang Y., Pan Y., Liu X. W., Wang G. L., Cao D. X., Electrochim. Acta, 2014, 116, 404
Housel L. M., Wang L., Abraham A., Huang J., Renderos G. D., Quilty C. D., Brady A. B., Marschilok A. C., Takeuchi K. J., Takeuchi E. S., Acc. Chem. Res., 2018, 51(3), 575
Li X., Li Y., Xie S. Y., Zhou Y. J., Rong J. H., Dong L. B., Chem. Eng. J., 2022, 427, 131799
Sambandam B., Mathew V., Kim S., Lee S., Kim S., Hwang J. Y., Fan H. J., Kim J., Chem, 2022, 8(4), 924
Cheng F. Y., Zhao J. Z., Song W. E., Li C. S., Ma H., J H., Chen J., Shen P. W., Inorganic Chemistry, 2006, 45, 2038
Han M., Huang J., Liang S., Shan L., Xie X., Yi Z., Wang Y., Guo S., Zhou J., iScience, 2020, 23(1), 100797
Cheng F. Y., Chen J., Gou X. L., Shen P. W., Adv. Mater., 2005, 17, 2753
Hu X., Han X., Hu Y., Cheng F., Chen J., Nanoscale, 2014, 6(7), 3522
Liu G. X., Huang H. W., Bi R., Xiao X., Ma T. Y., Zhang L., J. Mater. Chem. A, 2019, 7, 20806
Shang P., Liu Y. H., Mei Y. Y., Wu L. S., Dong Y. F., Mater. Chem. Front., 2021, 5(22), 8002
Zhao Y. L., Zhu Y. H., Zhang X. B., InfoMat., 2019, 2(2), 237
Wang X., Zhang Z. C. Y., Xi B. J., Chen W. H., Jia Y. X., Feng J. K., Xiong S. L., ACS Nano, 2021, 15(6), 9244
Chen D., Lu M. J., Cai D., Yang H., Han W., J. Energy Chem., 2021, 54, 712
Grocker A. G., Experimental Mechanics Volume, 1996, 6, 266
Pinaud B. A., Chen Z. B., Abram D. N., Jaramillo T. F., J. Phys. Chem. C, 2011, 115(23), 11830
John R. E., Chandran A., Thomas M., Jose J., George K. C., Appl. Surf. Sci., 2016, 367, 43
Cheng F. Y., Zhang T. R., Zhang Y., Du J., Han X. P., Chen J., Angew. Chem. Int. Ed., 2013, 52(9), 2474
Xiong T., Yu Z. G., Wu H. J., Du Y. H., Xie Q. D., Chen J. S., Zhang Y. W., Pennycook S. J., Lee W. S. V., Xue J. M., Adv. Energy Mater., 2019, 9(14), 1803815
Zhao Y. J., Zhang P. J., Liang J. R., Xia X. Y., Ren L. T., Song L., Liu W., Sun X. M., Energy Storage Mater., 2022, 47, 424
Xie S., Li X., Li Y., Liang Q. H., Dong L. B., Chem. Rec., 2022, 22(10), e202200201
Li Y., Li X., Duan H., Xie S. Y., Dai R. Y., Rong J. H., Kang F. Y., Dong L. B., Chem. Eng. J., 2022, 441, 136008
Gao P., Chen Z., Gong Y. X., Zhang R., Liu H., Tang P., Chen X. H., Passerini S., Liu J. L., Adv. Energy Mater., 2020, 10(14), 1903780
Chao D., Zhou W., Ye C., Zhang Q., Chen Y., Gu L., Davey K., Qiao S. Z., Angew. Chem. Int. Ed., 2019, 58(23), 7823
Zhang Y. N., Liu Y. P., Liu Z. H., Wu X. G., Wen Y. X., Chen H. D., Ni X., Liu G. H., Huang J. J., Peng S. L., J. Energy Chem., 2022, 64, 23
Zhao M., Luo Y., Zhu L., Cai D., Zhuang Y., Chen Q., Zhan H., Alloy Compd., 2022, 913, 165124
Kim S., Koo B., Jo Y., An H., Lee Y., Huang C., An G., J. Mater. Chem. A, 2021, 9(32), 17211
Ge B. C., Sun Y., Guo J. X., Yan X. B., Fernandez C., Peng Q. M., Small, 2019, 15(34), 1902220
Yan L. J., Niu L. Y., Shen C., Zhang Z. K., Lin J. H., Shen F. Y., Gong Y. Y., Li C., Liu X. J., Q. X. S., Electrochim. Acta, 2019, 306, 529
Ye Z. G., Li T., Ma G., Dong Y. H., Zhou X. L., Adv. Funct. Mater., 2017, 27(44), 1704083
Zhao Y. F., Zhang J. Q., Wu W. J., Guo X., Xiong P., Liu H., Wang G. X., Nano Energy, 2018, 54, 129
Ji J., Wan H. Z., Zhang B., Wang C., Gan Y., Tan Q. Y., Wang N. Z., Yao J., Zheng Z. H., Liang P., Zhang J., Wang H. B., Tao L., Wang Y., Chao D. L., H. W., Adv. Energy Mater., 2020, 11, 2003203
Xia X. Y., Zhao Y. J., Zhao Y., Xu M. G., Liu W., Sun X. M., Nano Res., 2022, 16(2), 2511
Wang C. Z., Yang H., Wang B., Ding P. B., Wan Y., Bao W. J., Li Y. A., Ma S. Y., Liu Y., Lu Y. K., Hu H., Nano Res., 2023, doi:https://doi.org/10.1007/s12274-023-5717-8
Selvakumaran D., Pan A. Q., Liang S. Q., Cao G. Z., J. Mater. Chem. A, 2019, 7(31), 18209
Bi S., Wu Y., Cao A., Tian J., Zhang S., Niu Z., Mater. Today Energy, 2020, 18, 100548
Li B., Chai J. W., Ge X. M., An T., Lim P., Liu Z. L., Zong Y., ChemNanoMat, 2017, 3(6), 401
Xu D. W., Li B. H., Wei C. G., He Y. B., Du H. D., Chu X. D., Qin X. Y., Yang Q. H., Kang F. Y., Electrochim. Acta, 2014, 133, 254
Khamsanga S., Pornprasertsuk R., Yonezawa T., Mohamad A. A., Kheawhom S., Sci. Rep., 2019, 9(1), 8441
Wang C., Zeng Y. X., Xiao X., Wu S. J., Zhong G. B., Xu K. Q., Wei Z. F., Su W., Lu X. H., J. Energy Chem., 2020, 43, 182
Li C., Li M., Xu H., Zhao F., Gong S., Wang H., Qi J., Wang Z., Hu Y., Peng W., Fan X., Liu J., J. Colloid Interface Sci., 2022, 628(Pt A), 553
Jeong J., Park S. H., Park H. J., Jin S. B., Son S. G., Moon J., Suh H., Choi B. G., Adv. Funct. Mater., 2021, 31(17), 2009632
Jia H. N., Lin J. H., Liu Y. L., Chen S. L., Cai Y. F., Qi J. L., Feng J. C., Fei W. D., J. Mater. Chem. A, 2017, 5(21), 10678
Ataherian F., Wang Y. L., Tabet-Aoul A., Mohamedi M., ChemElectroChem, 2017, 4(8), 1924
Sheng L. Z., Jiang L. L., Wei T., Fan Z. J., Small, 2016, 12(37), 5217
Tong H., Li T., Liu J., Gong D., Xiao J., Shen L., Ding B., Zhang X., Energy Technol., 2020, 9(2), 2000769
Chao D. L., Zhou W. H., Ye C., Zhang Q. H., Chen Y. G., Gu L., Davey K., Qiao S. Z., Angew. Chem. Int. Ed., 2019, 58(23), 7823
Huang C., Wang Q. F., Tian G. F., Zhang D. H., Mater. Today Phys., 2021, 21, 100518
Zhang J., Lin J., Zeng Y. B., Zhang Y., Guo H., ACS Appl. Energy Mater., 2019, 2(11), 8345
Zhao Y., Zhou R. K., Song Z. H., Zhang X. D., Zhang T., Zhou A. B., Wu F., Chen R. J., Li L., Angew. Chem. Int. Ed., 2022, 61(49), e202212231
Ji J., Yao J., Xu Y. C., Wan H. Z., Zhang B., Lv L., Li J. Y., Wang N. Z., Zheng Z. H., Zhang J., Ma G. K., Tao L., Wang H. B., Wang Y., Wang H., Energy Environ. Sci., 2022, 6(2), e12340
Sun Y. K., Lee M. J., Yoon C. S., Hassoun J., Amine K., Scrosati B., Adv. Mater., 2012, 24(9), 1192
Jung Y. S., Cavabagh A. S., Riley L. A., Kang S. H., Dillon A. C., Groner M. D., Groner S. M., Lee S. H., Adv. Mater., 2010, 22(19), 2172
Liu Y., Zhou X. M., Liu R., Li X. L., Bai Y., Xiao H. H., Wang, Y. M., Yuan G. H., ACS Appl. Mater. Interfaces, 2019, 11(21), 19191
Li H. Y., Yao H., Sun X. Y., Sheng C. C., Zhao W., Wu J. H., Chu S. Y., Liu Z. G., Guo S. H., Zhou H. S., Chem. Eng. J., 2022, 446, 137205
Ruan P. C., Xu X. L., Gao X. L., Feng J. X., Yu L. H., Cai Y. H., Gao X. B., Shi W. H., Wu F. F., Liu W. X., Zang X. X., Ma F. Y., Cao X. H., SM&T, 2021, 28, e00254
Yao X. H., Zhao Y. L., Castro F. A., Mai L. Q., ACS Energy Lett., 2019, 4(3), 771
Xia H., Zhu X. H., Liu J. Z., Liu Q., Lan S., Zhang Q. H., Liu X. Y., Seo J. K., Chen T. T., Gu L., Meng Y. S., Nat. Commun., 2018, 9(1), 5100
Ye Q. L., Dong R. T., Xia Z. H., Chen G. R., Wang H. L., Tan G. J., Jiang L., Wang F., Electrochim. Acta, 2014, 141, 286
Zhang K. Q., Chen H. D., Xiao B. Q., Chen J., Yan W., Liu Y. P., Hu C. F., Chen L., Huang J. J., Peng S. L., ACS Appl. Mater. Interfaces, 2023, 6(3), 1467
Yadav G. G., Gallaway J. W., Turney D. E., Nyce M., Huang J., Wei X., Banerjee S., Nat. Commun., 2017, 8, 14424
Long F., Xiang Y., Yang S., Li Y., Du H., Liu Y., Wu X., Wu X., J. Colloid Interface Sci., 2022, 616, 101
Poyraz A. S., Huang J. P., Pelliccione C. J., Tong X., Cheng S. B., Wu L. J., Zhu Y. M., Marschilok A. C., Takeuchi K. J., Takeuchi E. S., J. Mater. Chem. A, 2017, 5(32), 16914
Sada K., Senthilkumar B., Barpanda P., J. Mater. Chem. A, 2019, 7(41), 23981
Radhamani A. V., Krishna Surendra M., Ramachandra Rao M. S., Appl. Surf. Sci., 2018, 450, 209
Zhai X. Z., Qu J., Hao S. M., Jing Y. Q., Chang W., Wang J., Li W., Abdelkrim Y., Yuan H., Yu Z. Z., Nano-Micro Lett., 2020, 12(1), 56
Liu L. Y., Wu Y., Huang L., Liu K. S., Duployer B., Rozier P., Taberna P., Simon P., Adv. Energy Mater., 2021, 11(31), 2101287
Liu Z. X., Sun H. M., Qin L. P., Cao X. X., Zhou J., Pan A. Q., Fang G. Z., Liang S. Q., ChemNanoMat, 2020, 6(11), 1553
Jiao Y. D., Kang L. Q., Berry-Gair J., McCol K., Li J. W., Dong H. B., Jiang H., Corà F., Brett D. J. L., He G. J., Parkin I. P., J. Mater. Chem. A, 2020, 8(42), 22075
Chen C., Shi M. J., Zhao Y., Yang C., Zhao L. P., Yan C., Chem. Eng. J., 2021, 422, 130375
Zhao X., Mao L., Cheng Q. H., Liao F. F., Yang G. Y., Lu X. H., Chen L. Y., Energy Storage Mater., 2021, 38, 397
Lu Y. Y., Zhu T. Y., Bergh W. V. D., Stefik M., Huang K., Angew. Chem. Int. Ed., 2020, 59(39), 17004
Wei X., Peng Z., Mao X. H., Wang D. H., J. Mater. Chem. A, 2015, 3, 8676
Huang J. H., Wang Z., Hou M. Y., Dong X. L., Liu Y., Wang Y. G., Xia Y. Y., Nat. Commun., 2018, 9(1), 2906
Chen H., Ma W. B., Guo J. D., Xiong J. Y., Hou F., Si W. P., Sang Z. Y., Yang D., J. Alloys Compd., 2023, 932, 167688
Liao X. B., Pan C. L., Pan Y. S., Yin C. J., J. Alloys Compd., 2021, 888, 161619
Zhao Q., Huang W., Luo Z., Liu L., Lu Y., Li Y., Li L., Hu J., Ma H., Chen J., Sci. Adv., 2018, 4(3), aao1761
Nam K. W., Kim H., Beldjoudi Y., Kwon T., Kim D. J., Stoddart J. F., J. Am. Chem. Soc., 2020, 142(5), 2541
Sun T., Li Z. J., Zhi Y. F., Huang Y. J., Fan H. J., Zhang Q. C., Adv. Funct. Mater., 2021, 31(16), 2010049
Lin Z., Shi H. Y., Lin L., Yang X., Wu W., Sun X., Nat. Commun., 2021, 12(1), 4424
Tie Z. W., Niu Z. Q., Angew. Chem. Int. Ed., 2020, 59(48), 21293
Gao Y. J., Li G. F., Wang F., Chu J., Yu P., Wang B. S., Zhan H., Song Z. P., Energy Storage Mater., 2021, 40, 31
Wang Y., Wang C., Ni Z., Gu Y., Wang B., Guo Z., Wang Z., Bin D., Ma J., Wang Y., Adv. Mater., 2020, 32(16), e2000338
Wu X. Y., Hong J. J., Shin W., Ma L., Liu T. C., Bi X. X., Yuan Y. F., Qi Y. T., Surta T. W., Huang W. X., Neuefeind J., Wu T. P., Greaney P. A., Lu J., Ji X. L., Nat. Energy, 2019, 4(2), 123
Yang X., Zhao Y., Xu Q. J., Yuan X. C., Liu J. Z., Batteries & Supercaps, 2023, 6(3), e202200480
Ye F., Liu Q., Lu C. J., Meng F. Q., Lin T., Dong H. L., Gu L., Wu Y. P., Tang Z. L., Hu L. F., Energy Storage Mater., 2022, 52, 675
Lee B., Yoon C. S., Lee H. R., Chung K. Y., Cho B. W., Oh S. H., Sci. Rep., 2014, 4, 6066
Sun W., Wang F., Hou S., Yang C., Fan X., Ma Z., Gao T., Han F., Hu R., Zhu M., Wang C., J. Am. Chem. Soc., 2017, 139(29), 9775
Xu C. J., Li B. H., Du H. D., Kang F. Y., Angew. Chem. Int. Ed., 2012, 51(4), 933
Lee J., Ju J. B., Cho W. I., Cho B. W., Oh S. H., Electrochim. Acta, 2013, 112, 138
Alfaruqi M. H., Gim J., Kim S., Song J. J., Jo J., Kim S., Mathew V., Kim J., J. Power Sources, 2015, 288, 320
Zhang N., Cheng F. Y., Liu Y. C., Zhao Q., Lei K. X., Chen C. C., Liu X. S., Chen J., J. Am. Chem. Soc., 2016, 138(39), 12894
Islam S., Alfaruqi M. H., Mathew V., Song J. J., Kim S., Kim S., Jo J., Baboo J. P., Pham D. T., Putro D. Y., Sun Y. K., Kim J., J. Mater. Chem. A, 2017, 5(44), 23299
Zeng Y., Zhang X., Meng Y., Yu M., Yi J., Wu Y., Lu X., Tong Y., Adv. Mater., 2017, 29(26), 1700274
Shen X. F., Wang X. N., Zhou Y. R., Shi Y. H., Zhao L. M., Jin H. H., Di J. T., Li Q. W., Adv. Funct. Mater., 2021, 31(27), 2101579
Guo X., Zhou J., Bai C. L., Li X. K., Fang G. Z., Liang S. Q., Mater. Today Energy, 2020, 16, 100369
Chen H., Dai C. L., Xiao F. Y., Yang Q. J., Cai S. N., Xu M. W., Fan H. J., Bao S. J., Adv. Mater., 2022, 34(15), 2109092
Liu Z. X., Yang Y. Q., Lu B. G., Liang S. Q., Fan H. J., Zhou J., Energy Storage Mater., 2022, 52, 104
Ye X. L., Han D. L., Jiang G. Y., Cui C. J., Guo Y., Wang Y. G., Zhang Z. C., Weng Z., Yang Q. H., Energy Environ. Sci., 2023, 16(3), 1016
Yang H., Zhang T., Chen D., Tan Y., Zhou W., Li L., Li W., Li G., Han W., Fan H. J., Chao D., Adv. Mater., 2023, 35(24), e2300053
Han M., Zhou J., Fan H. J., Trends in Chemistry, 2023, 5(3), 214
Li C., Kingsbury R., Thind A. S., Shyamsunder A., Fister T. T., Klie R. F., Persson K. A., Nazar L. F., Nat. Commun., 2023, 14(1), 3067
Chen D., Lu M. J., Wang B., Cheng H. F., Yang H., Cai D., Han W., Fan H. J., Nano Energy, 2021, 83, 105835
Wang Y., Xie J. H., Luo J., Yu Y. X., Liu X. Q., Lu X. H., Small Methods, 2022, 6(8), e2200560
Zhang C., Holoubek J., Wu X., Daniyar A., Zhu L., Chen C., Leonard D. P., Rodriguez-Perez I. A., Jiang J. X., Fang C., Ji X., Chem. Commun. (Camb), 2018, 54(100), 14097
Zhang N., Chen X., Yu M., Niu Z., Cheng F., Chen J., Chem. Soc. Rev., 2020, 49(13), 4203
Xiao X., Zhang Z., Wu Y., Xu J., Gao X., Xu R., Huang W., Ye Y., Oyakhire S. T., Zhang P., Chen B., Cevik E., Asiri S. M., Bozkurt A., Amine K., Cui Y., Adv. Mater., 2023, e2211555, https://doi.org/10.1002/adma.202211555
Acknowledgements
This work was supported by the National Natural Science Foundation of China (Nos.22209006, 21935001), the Natural Science Foundation of Shandong Province, China (No. ZR2022QE009), the Fundamental Research Funds for the Central Universities of China(No.buctrc202307) and the Key Beijing Natural Science Foundation, China (No. Z210016).
We also thank the Ministry of Finance and the Ministry of Education of China for long-term subsidy mechanism.
Author information
Authors and Affiliations
Corresponding authors
Additional information
Conflicts of Interest
The authors declare no conflicts of interest.
Rights and permissions
About this article
Cite this article
Li, Q., Zhao, Y., Wang, Y. et al. Rational Design of Nanostructured MnO2 Cathode for High-performance Aqueous Zinc Ion Batteries. Chem. Res. Chin. Univ. 39, 599–611 (2023). https://doi.org/10.1007/s40242-023-3126-x
Received:
Accepted:
Published:
Issue Date:
DOI: https://doi.org/10.1007/s40242-023-3126-x