With rapid development of portable electronics and electric vehicles, high-performance energy storage devices are urgently needed; however, the existing energy storage systems often have some deficiency, such as low energy for supercapacitors, security risks for lithium-ion batteries and poor cycling stability for alkaline zinc/manganese dioxide batteries. Here we report a novel energy storage system of zinc-ion hybrid supercapacitors (ZHSs), in which activated carbon materials, Zn metal and ZnSO4 aqueous solution serve as cathode, anode and electrolyte, respectively. Reversible ion adsorption/desorption on AC cathode and Zn2+ deposition/stripping on Zn anode enable the ZHSs to repeatedly and rapidly store/deliver electrical energy, accompanying with a capacity of 121 mAh g−1 (corresponding to an energy of 84 Wh kg−1), a very large power output of 14.9 kW kg−1 and an excellent cycling stability with 91% capacity retention over 10000 cycles. The extremely safe, high-rate and ultralong-life ZHSs are believed to provide new options for next-generation energy storage devices.

Zinc ion batteries (ZIBs) have attracted extensive attention in recent years, benefiting from their high safety, eco-friendliness, low cost, and high energy density. Although many cathode materials for ZIBs have been developed, the poor stability of zinc anodes caused by uneven deposition/stripping of zinc has inevitably limited the practical application of ZIBs. Herein, we report a highly stable 3D Zn anode prepared by electrodepositing Zn on a chemically etched porous copper skeleton. The inherent excellent electrical conductivity and open structure of the 3D porous copper skeleton ensure the uniform deposition/stripping of Zn. The 3D Zn anode exhibits reduced polarization, stable cycling performance, and almost 100% Coulombic efficiency as well as fast electrochemical kinetics during repeated Zn deposition/stripping processes for 350 h. Furthermore, full cells with a 3D Zn anode, ultrathin MnO2 nanosheet cathode, and Zn2+-containing aqueous electrolyte delivered a record-high capacity of 364 mAh g–1 at a current density of 0.1 A g–1 and good cycling stability with a retained capacity of 173 mAh g–1 after 300 charge/discharge cycles at 0.4 A g–1. This work provides a pathway for developing high-performance ZIBs.

Rechargeable zinc ion battery is considered as one of the most potential energy storage devices for large-scale energy storage system due to its safety, low-cost, high capacity and nontoxicity. However, only a few cathode materials have been studied for rechargeable zinc ion batteries. Here, we firstly report manganese sesquioxide (Mn2O3) with Mn(III) state as cathode material for rechargeable zinc ion battery. The α-Mn2O3 cathode displays a reversible capacity of 148 mAh g−1, which is relatively high among all the reported cathode materials for ZIB. The cathode also exhibits good rate capability and excellent cycling stability with a long cycle life up to 2000 times. The ion storage mechanism of α-Mn2O3 in zinc ion battery was also revealed. The pristine α-Mn2O3 undergoes a reversible phase transition from bixbyite structure to layered-type zinc birnessite during the electrochemical zinc ion insertion and extraction. The results not only benefit for the practical application of rechargeable zinc ion battery, but also broaden the horizons of understanding the electrochemical behavior and mechanism of rechargeable zinc ion batteries.

Breathable and wearable energy storage is achieved based on an innovative design solution. Carbon nanotube/MnO2 -decorated air-laid paper electrodes, with outstanding flexibility and good electrochemical performances, are prepared. They are then assembled into solid-state supercapacitors. By making through-holes on the supercapacitors, breathable and flexible supercapacitors are successfully fabricated.

Aqueous rechargeable Zn/MnO2 zinc-ion batteries (ZIBs) are reviving recently due to their low cost, non-toxicity, and natural abundance. However, their energy storage mechanism remains controversial due to their complicated electrochemical reactions. Meanwhile, to achieve satisfactory cyclic stability and rate performance of the Zn/MnO2 ZIBs, Mn2+ is introduced in the electrolyte (e.g., ZnSO4 solution), which leads to more complicated reactions inside the ZIBs systems. Herein, based on comprehensive analysis methods including electrochemical analysis and Pourbaix diagram, we provide novel insights into the energy storage mechanism of Zn/MnO2 batteries in the presence of Mn2+. A complex series of electrochemical reactions with the co-participation of Zn2+, H+, Mn2+, SO42−, and OH− were revealed. During the first discharge process, co-insertion of Zn2+ and H+ promotes the transformation of MnO2 into ZnxMnO4, MnOOH, and Mn2O3, accompanying with increased electrolyte pH and the formation of ZnSO4·3Zn(OH)2·5H2O. During the subsequent charge process, ZnxMnO4, MnOOH, and Mn2O3 revert to α-MnO2 with the extraction of Zn2+ and H+, while ZnSO4·3Zn(OH)2·5H2O reacts with Mn2+ to form ZnMn3O7·3H2O. In the following charge/discharge processes, besides aforementioned electrochemical reactions, Zn2+ reversibly insert into/extract from α-MnO2, ZnxMnO4, and ZnMn3O7·3H2O hosts; ZnSO4·3Zn(OH)2·5H2O, Zn2Mn3O8, and ZnMn2O4 convert mutually with the participation of Mn2+. This work is believed to provide theoretical guidance for further research on high-performance ZIBs.

Abstract Rechargeable aqueous zinc-ion batteries (ZIBs) have been gaining increasing interest for large-scale energy storage applications due to their high safety, good rate capability, and low cost. However, the further development of ZIBs is impeded by two main challenges: Currently reported cathode materials usually suffer from rapid capacity fading or high toxicity, and meanwhile, unstable zinc stripping/plating on Zn anode seriously shortens the cycling life of ZIBs. In this paper, metal–organic framework (MOF) materials are proposed to simultaneously address these issues and realize high-performance ZIBs with Mn(BTC) MOF cathodes and ZIF-8-coated Zn (ZIF-8@Zn) anodes. Various MOF materials were synthesized, and Mn(BTC) MOF was found to exhibit the best Zn 2+ -storage ability with a capacity of 112 mAh g −1 . Zn 2+ storage mechanism of the Mn(BTC) was carefully studied. Besides, ZIF-8@Zn anodes were prepared by coating ZIF-8 MOF material on Zn foils. Unique porous structure of the ZIF-8 coating guided uniform Zn stripping/plating on the surface of Zn anodes. As a result, the ZIF-8@Zn anodes exhibited stable Zn stripping/plating behaviors, with 8 times longer cycle life than bare Zn foils. Based on the above, high-performance aqueous ZIBs were constructed using the Mn(BTC) cathodes and the ZIF-8@Zn anodes, which displayed an excellent long-cycling stability without obvious capacity fading after 900 charge/discharge cycles. This work provides a new opportunity for high-performance energy storage system.

High-performance flexible textile electrodes and fiber electrodes are produced simultaneously by a newly proposed effective strategy. Activated carbon fiber cloth (ACFC)/carbon nanotubes (CNTs) and ACFC/MnO2/CNTs composites are designed as high-performance flexible textile electrodes. Theses textiles can also be easily dismantled into individual fiber bundles used as high-performance flexible fiber electrodes.