Redistributing Zn-ion flux by interlayer ion channels in Mg-Al layered double hydroxide-based artificial solid electrolyte interface for ultra-stable and dendrite-free Zn metal anodes

材料科学 电解质 阳极 法拉第效率 氢氧化物 化学工程 电化学 阴极 扩散 电极 冶金 化学 物理化学 工程类 物理 热力学
作者
Yang Yang,Chaoyue Liu,Zeheng Lv,Hao Yang,Xian Chun Cheng,Shengzhao Zhang,Minghui Ye,Yufei Zhang,Libao Chen,Jinbao Zhao,Cheng Chao Li
出处
期刊:Energy Storage Materials [Elsevier]
卷期号:41: 230-239 被引量:190
标识
DOI:10.1016/j.ensm.2021.06.002
摘要

The growth of Zn dendrites and self-corrosion reaction during electrochemical cycling is a long-standing issue impeding the practical application of zinc-ion batteries. Although various surface engineering strategies have shown great promise in suppressing zinc dendrites, the protective layers unavoidably hinder Zn2+ diffusion, resulting in increased internal impedance/polarization. Therefore, constructing smart interface protective layers with fast Zn2+ transfer kinetics is highly desirable but remains a key challenge. Here, an Mg-Al layered double hydroxide (LDH)-based artificial solid electrolyte interface (SEI) with Zn-ion diffusion channels is proposed. The well-aligned interlayer channels in the Mg-Al LDH skeleton is proved to efficiently engineer the distribution of Zn2+ ions and facilitate Zn2+ diffusion between the electrode/electrolyte interface, thus giving rise to stable Zn deposition. Moreover, the mechanically robust Mg-Al LDH artificial SEI acts as an interfacial layer to constrain H2O-induced corrosion and hydrogen evolution reaction. Consequently, the Mg-Al LDH artificial SEI improves the Coulombic efficiency to 99.2% for more than 2000 cycles, and an ultralong lifespan of 1400 h has been achieved at 0.5 mA cm−2. Notably, the zinc-ion capacitors by pairing the [email protected] anode and high-loading active carbon cathode deliver outstanding cycling stability with a high capacity retention of 93.7% up to 10000 cycles at the high areal current density of 37.5 mA cm−2, portending the feasibility of practical applications.
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