Is Messier Better? Mechanistic Insights toward Ultracryogenic Metal-Ion Batteries

化学 纳米技术 机制(生物学) 天体生物学 生化工程 钥匙(锁) 工程物理 锂离子电池的纳米结构 航空航天工程 过程(计算)
作者
X Zhao,Ran Han,Yue Wang,Junyuan Hua,Baohua Li,Taisen Zuo,He Cheng,Kun Qian,Liumin Suo,Feiyu Kang,Dong Zhou
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
卷期号:148 (24): 25163-25175
标识
DOI:10.1021/jacs.6c06937
摘要

Aqueous zinc ion batteries (ZIBs) are compelling candidates for grid energy storage due to their safety and cost-effectiveness. High-entropy electrolyte design is widely applied to improve the antifreezing capability and interfacial stability of ZIB; however, the neglected ion–solvent interactions jeopardize its practical adaptability as a guideline. Here, we propose the ion synergistic polarization index (SPI) as an effective descriptor, which exhibits a decisive correlation with electrolyte solidification behavior, outperforming traditional parameters. The SPI metric works by striking a critical balance between cationic perturbation strength with anionic polarization capability. Guided by this principle, we develop a high-SPI electrolyte with different cations. Integrated theoretical simulations and experimental characterizations confirm that the high-SPI electrolyte effectively inhibits water crystallization, maintaining a noncrystalline state even at a record-low temperature of −136.67 °C while delivering rapid ionic transport (an ionic conductivity of 2.4 mS cm –1 at −60 °C) and robust interfacial stability. When tested at −60 °C, a Zn∥Zn symmetric cell enables ultrastable cycling for over 4800 h. Meanwhile a Zn∥polyaniline full cell retains 70% of its room-temperature capacity. These findings establish a generic framework for reconciling the trade-off between cryogenic operation and electrochemical stability hurdles in next-generation ZIBs and beyond (e.g., lithium-ion batteries).
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