Proton-selective coating enables fast-kinetics high-mass-loading cathodes for sustainable zinc batteries

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作者
Quanquan Guo,Wei Li,Xiaodong Li,Jiaxu Zhang,Davood Sabaghi,Jianjun Zhang,Bowen Zhang,Dongqi Li,Jingwei Du,Xingyuan Chu,Sein Chung,Kilwon Cho,Nguyen Ngan Nguyen,Zhongquan Liao,Zhen Zhang,Xinxing Zhang,Grégory F. Schneider,Thomas Heine,Minghao Yu,Xinliang Feng
出处
期刊:Nature Communications [Springer Nature]
卷期号:15 (1)
标识
DOI:10.1038/s41467-024-46464-9
摘要

Abstract The pressing demand for sustainable energy storage solutions has spurred the burgeoning development of aqueous zinc batteries. However, kinetics-sluggish Zn 2+ as the dominant charge carriers in cathodes leads to suboptimal charge-storage capacity and durability of aqueous zinc batteries. Here, we discover that an ultrathin two-dimensional polyimine membrane, featured by dual ion-transport nanochannels and rich proton-conduction groups, facilitates rapid and selective proton passing. Subsequently, a distinctive electrochemistry transition shifting from sluggish Zn 2+ -dominated to fast-kinetics H + -dominated Faradic reactions is achieved for high-mass-loading cathodes by using the polyimine membrane as an interfacial coating. Notably, the NaV 3 O 8 ·1.5H 2 O cathode (10 mg cm −2 ) with this interfacial coating exhibits an ultrahigh areal capacity of 4.5 mAh cm −2 and a state-of-the-art energy density of 33.8 Wh m −2 , along with apparently enhanced cycling stability. Additionally, we showcase the applicability of the interfacial proton-selective coating to different cathodes and aqueous electrolytes, validating its universality for developing reliable aqueous batteries.
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