Bilateral Nitrogen Interface Chemistry for Dendrite-Free Zinc–Iodine Batteries with Enhanced Four-Electron Redox Activity

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作者
Yongshuai Liu,Wenyi Lu,Fengkai Zuo,Shaochong Cao,Pengshu Yi,Longli Ma,Zhu Liu,Shan He,Zhouhong Ren,Liang Cao,M. L. Ye,Jianfeng Shen
出处
期刊:ACS Nano [American Chemical Society]
卷期号:20 (7): 5577-5590
标识
DOI:10.1021/acsnano.5c16195
摘要

Aqueous zinc-iodine (Zn-I2) batteries, owing to their compelling combination of environmental friendliness, cost-effectiveness, and enhanced safety features, are regarded as promising candidates for large-scale energy storage systems. Nevertheless, the limited I2/2I- two-electron redox chemistry and nonuniform Zn deposition critically impair the energy density and cycling stability of aqueous Zn-I2 batteries, hindering their practical deployment. Herein, multifunctional cyclohexylamine hydrochloride (CHAH) additive is introduced into the ZnSO4 electrolyte, which synergistically enables a dendrite-free Zn anode for extended cyclability and simultaneously activates a stable four-electron 2I+/I2/2I- redox chemistry at the I2 cathode. Combined experimental characterization and theoretical calculations reveal that the cyclohexylamine (CHA) reconstructs the Zn2+ solvation structure by displacing active H2O, while fostering a nitrogen-rich solid electrolyte interphase on the Zn anode at the same time. It suppresses parasitic reactions and enables excellent Zn plating/stripping cycling for 2150 h at 1 mA cm-2/1 mAh cm-2. Furthermore, nucleophilic amine groups in CHA act synergistically with Cl- to coordinate I+ by forming (2CHA)ICl, which improves four-electron 2I+/I2/2I- redox kinetics and achieves exceptional Zn-I2 battery performances (256.3 mAh g-1 at 10 A g-1). This bilateral nitrogen interface chemistry mechanism offers key insights into the development of high-performance Zn-I2 batteries.
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