How Solvation Energetics Dampen the Hydrogen Evolution Reaction to Maximize Zinc Anode Stability

材料科学 钝化 溶剂化 阳极 电化学 密度泛函理论 水溶液 化学工程 纳米技术 无机化学 分子 物理化学 计算化学 冶金 化学 电极 有机化学 图层(电子) 工程类
作者
Kingshuk Roy,Ashutosh Rana,Tushar K. Ghosh,Joseph N. Heil,Sayan Roy,Kathryn J. Vannoy,Brian M. Tackett,Ming Chen,Jeffrey E. Dick
出处
期刊:Advanced Energy Materials [Wiley]
卷期号:14 (15) 被引量:59
标识
DOI:10.1002/aenm.202303998
摘要

Abstract Aqueous zinc metal batteries (AZMB) are emerging as a promising alternative to the prevailing existing Lithium‐ion battery technology. However, the development of AZMBs is hindered due to challenges including dendrite formation, hydrogen evolution reaction (HER), and ZnO passivation on the anode. Here, a tetraalkylsulfonamide (TAS) additive for suppressing HER, dendrite formation, and enhancing cyclability is rationally designed. Only 1 m m TAS is found that can effectively displace water molecules from the Zn 2+ solvation shell, thereby altering the solvation matrix of Zn 2+ and disrupting the hydrogen bond network of free water, as demonstrated through 67 Zn and 1 H nuclear magnetic resonance spectroscopy, high‐resolution mass spectrometry (HRMS), and density functional theory (DFT) studies. Voltammetry synchronized with in situ monitoring of the electrode surface reveals suppressed dendritic growth and HER in the presence of TAS. Electrochemical mass spectrometry (ECMS) captures real‐time HER suppression during Zn electrodeposition, revealing the ability of TAS to suppress the HER by an order of magnitude. A ≈25‐fold cycle life improvement from ≈100 h to over 2500 h in coin cells cycled in the presence of TAS. Furthermore, by suppressing passivation product formation, it is demonstrated that strategy robustly maximizes the stability of Zn metal anodes.
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