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Enabling selective zinc-ion intercalation by a eutectic electrolyte for practical anodeless zinc batteries

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作者
Chang Li,Ryan Kingsbury,Arashdeep Singh Thind,Abhinandan Shyamsunder,Timothy T. Fister,Robert F. Klie,Kristin Aslaug Persson,Linda F. Nazar
出处
期刊:Nature Communications [Nature Portfolio]
卷期号:14 (1): 3067-3067 被引量:299
标识
DOI:10.1038/s41467-023-38460-2
摘要

Abstract Two major challenges hinder the advance of aqueous zinc metal batteries for sustainable stationary storage: (1) achieving predominant Zn-ion (de)intercalation at the oxide cathode by suppressing adventitious proton co-intercalation and dissolution, and (2) simultaneously overcoming Zn dendrite growth at the anode that triggers parasitic electrolyte reactions. Here, we reveal the competition between Zn 2+ vs proton intercalation chemistry of a typical oxide cathode using ex-situ/ operando techniques, and alleviate side reactions by developing a cost-effective and non-flammable hybrid eutectic electrolyte. A fully hydrated Zn 2+ solvation structure facilitates fast charge transfer at the solid/electrolyte interface, enabling dendrite-free Zn plating/stripping with a remarkably high average coulombic efficiency of 99.8% at commercially relevant areal capacities of 4 mAh cm −2 and function up to 1600 h at 8 mAh cm −2 . By concurrently stabilizing Zn redox at both electrodes, we achieve a new benchmark in Zn-ion battery performance of 4 mAh cm −2 anode-free cells that retain 85% capacity over 100 cycles at 25 °C. Using this eutectic-design electrolyte, Zn | |Iodine full cells are further realized with 86% capacity retention over 2500 cycles. The approach represents a new avenue for long-duration energy storage.
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