Suppressing Zn pulverization with three-dimensional inert-cation diversion dam for long-life Zn metal batteries

电解质 惰性 扩散 金属 法拉第效率 结晶 化学工程 动力学 化学 冶金 材料科学 无机化学 电极 热力学 物理化学 有机化学 物理 量子力学 工程类
作者
Xuelong Liao,Shan Chen,Jialei Chen,Youzeng Li,Wei Wang,Tiantian Lu,Zhuo Chen,Lei Cao,Yaxin Wang,Rong Huang,Xiaoting Sun,Ruyue Lv,Huan Wang
出处
期刊:Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America [Proceedings of the National Academy of Sciences]
卷期号:121 (8) 被引量:1
标识
DOI:10.1073/pnas.2317796121
摘要

Tremendous attention has been paid to the water-associated side reactions and zinc (Zn) dendrite growth on the electrode-electrolyte interface. However, the Zn pulverization that can cause continuous depletion of active Zn metal and exacerbate hydrogen evolution is severely neglected. Here, we disclose that the excessive Zn feeding that causes incomplete crystallization is responsible for Zn pulverization formation through analyzing the thermodynamic and kinetics process of Zn deposition. On the basis, we introduce 1-ethyl-3-methylimidazolium cations (EMIm+) into the electrolyte to form a Galton-board-like three-dimensional inert-cation (3DIC) region. Modeling test shows that the 3DIC EMIm+ can induce the Zn2+ flux to follow in a Gauss distribution, thus acting as elastic sites to buffer the perpendicular diffusion of Zn2+ and direct the lateral diffusion, thus effectively avoiding the local Zn2+ accumulation and irreversible crystal formation. Consequently, anti-pulverized Zn metal deposition behavior is achieved with an average Coulombic efficiency of 99.6% at 5 mA cm-2 over 2,000 cycles and superb stability in symmetric cell over 1,200 h at -30 °C. Furthermore, the Zn||KVOH pouch cell can stably cycle over 1,200 cycles at 2 A g-1 and maintain a capacity of up to 12 mAh.
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