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

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作者
Mi Yang,Bao Zhang,An Duan,Sha Luo,Luyang Ge,Jiaqi Wang,Yuxi Zhang,Yu Feng,Xiao 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:3
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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