Fine‐Tuning Electrolyte Concentration and Metal–Organic Framework Surface toward Actuating Fast Zn2+ Dehydration for Aqueous Zn‐Ion Batteries

电解质 水溶液 电化学 无机化学 化学工程 材料科学 化学 脱水 溶剂化 离子 电极 物理化学 有机化学 生物化学 工程类
作者
Yizhi Jiang,Zheng Wan,Xiao He,Jinrong Yang
出处
期刊:Angewandte Chemie [Wiley]
卷期号:62 (44): e202307274-e202307274 被引量:35
标识
DOI:10.1002/anie.202307274
摘要

Functional porous coating on zinc electrode is emerging as a powerful ionic sieve to suppress dendrite growth and side reactions, thereby improving highly reversible aqueous zinc ion batteries. However, the ultrafast charge rate is limited by the substantial cation transmission strongly associated with dehydration efficiency. Here, we unveil the entire dynamic process of solvated Zn2+ ions' continuous dehydration from electrolyte across the MOF-electrolyte interface into channels with the aid of molecular simulations, taking zeolitic imidazolate framework ZIF-7 as proof-of-concept. The moderate concentration of 2 M ZnSO4 electrolyte being advantageous over other concentrations possesses the homogeneous water-mediated ion pairing distribution, resulting in the lowest dehydration energy, which elucidates the molecular mechanism underlying such concentration adopted by numerous experimental studies. Furthermore, we show that modifying linkers on the ZIF-7 surface with hydrophilic groups such as -OH or -NH2 can weaken the solvation shell of Zn2+ ions to lower the dehydration free energy by approximately 1 eV, and may improve the electrical conductivity of MOF. These results shed light on the ions delivery mechanism and pave way to achieve long-term stable zinc anodes at high capacities through atomic-scale modification of functional porous materials.
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