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Highly reversible zinc metal anode enabled by zinc fluoroborate salt-based hydrous organic electrolyte

电解质 无机化学 法拉第效率 材料科学 电化学 水溶液 金属 盐(化学) 阳极 溶剂化 溶剂 化学 电极 有机化学 冶金 物理化学
作者
Shuyun Wang,Yiran Ying,Shengmei Chen,Haipeng Wang,Ka Kiu Keith Cheung,Chao Peng,Haitao Huang,Longtao Ma,Juan Antonio Zapien
出处
期刊:Energy Storage Materials [Elsevier BV]
卷期号:63: 102971-102971 被引量:21
标识
DOI:10.1016/j.ensm.2023.102971
摘要

Although Zn(BF4)2 contains favorable ingredients of fluorine for the formation of ZnF2 rich-Zn2+ ion conducting solid electrolyte interface (SEI), the aqueous electrolyte based on inorganic Zn salt of Zn(BF4)2⋅xH2O shows high Hammett acidity with pH value <1, which gives rise to severe corrosion of metallic Zn electrode and thermodynamically spontaneous hydrogen evolution reaction (HER). Meanwhile, an uneven and arbitrarily aggregated SEI will result in uneven distribution of Zn2+ ion flux and electric field, leading to rampant dendrite growth. Here, we employ a hydrophilic organic solvent of vinylene carbonate (VC) and hydrate Zn(BF4)2⋅4H2O salt for a hydrous organic electrolyte, denoted as ZnBF-VC. With the ZnBF-VC electrolyte used, the VC molecules preferably adsorb on the Zn surface to block H2O molecules and Zn metals. Meanwhile, the unique Zn2+-solvation sheath of Zn(VC)2.89(H2O)1.28(BF4)1.83 is formed, which forms an organic/inorganic hybrid SEI in-situ with ZnF2 and ZnCO3 as inorganic species. The distinct SEI enables favorable Zn2+ ion transport and can effectively protect metallic Zn electrode from corrosion, side reactions and dendrite formation. Consequently, the ZnǀǀZn cells cycled over 2200 h at 0.5 mA cm−2 and the ZnǀǀCu asymmetric cells maintained an excellent Coulombic efficiency (CE) of ∼99.7% over 550 cycles at 1 mA cm−2. Whereas, the ZnǀǀZn cells broke after only 74 cycles in aqueous electrolyte. Additionally, the full cell we assembled with manganese hexacyanoferrate (MnHCF) in ZnBF-VC electrolyte demonstrates excellent cycling stability, achieving a high specific capacity of 146.2 mAh g − 1, and a high retention rate of 85.3% over 1300 cycles at 0.4 A g − 1, while the cell using the referred ZnBF-H2O electrolyte survived only ∼6 cycles. This work proposes a feasible direction for the study of Zn(BF4)2-based organic electrolyte for Zn batteries.
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