Electric-field-reinforced affinitive electrolytes for highly reversible aqueous zinc metal batteries

水溶液 锌 金属 材料科学 电解质 化学工程 化学 无机化学 金属锂 电极 工作(物理) 电化学 聚合物电解质 密度泛函理论 过渡金属
作者
Ming Yang,Bao Zhang,An Duan,Sha Luo,Luyang Ge,Jiaqi Wang,Yuxi Zhang,Yu Feng,Xiao Bing Huang,Yuyang Tang,Jia Yao,Hao Wang,Houzhao Wan,Wei Sun
出处
期刊:Nature Communications [Nature Portfolio]
卷期号:17 (1) 被引量:14
标识
DOI:10.1038/s41467-026-70366-7
摘要

Aqueous Zn metal batteries offer a safe, low-cost route to grid-scale energy storage yet suffer from dendrite growth and corrosion issues. Conventional electrolyte designs largely overlook electric-field-driven interfacial dynamics such as solvation structure evolution and component redistribution during operation. Here, we propose an affinitive additive strategy featuring high donor number and dipole moment, exemplified by N,N-dimethylurea (DMU), to dynamically modulate Zn2+ solvation and the structure of the electric double layer under operational electric fields. Guided by physically grounded molecular descriptors, we identify additives capable of electric-field-induced interfacial enrichment, during which strong dipole-field coupling promotes their incorporation into the Zn2+ solvation shell and promotes more uniform Zn deposition. As a result, the optimized electrolyte achieves a coulombic efficiency of ~99.9% for Zn plating/stripping with only 2 wt% additive. It also sustains stable operation for 700 h at 60% depth of discharge, outperforming the baseline electrolyte. Descriptor-guided screening further reveals that other candidates follow the same pattern, suggesting broader applicability of this approach. Practical Zn | |ZnI2 full cells with high areal capacity (~3 mAh cm-2) and low N/P ratio (~1.8) achieve 750 stable cycles at 0.15 A g−1 with 84.5% capacity retention. Aqueous zinc batteries suffer from poor reversibility due to interfacial instability. Here, the authors propose an electric field-responsive electrolyte design that modulates zinc-ion solvation and interfacial chemistry, leading to uniform deposition and extended cycling stability.
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