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Enhancing Temperature Adaptability of Aqueous Zinc Batteries via Antifreezing Electrolyte and Site-Selective ZnSe-Ag Interface Layer Design

电解质 材料科学 化学工程 适应性 水溶液 图层(电子) 接口(物质) 无机化学 电极 纳米技术 化学 冶金 有机化学 物理化学 工程类 生物 吉布斯等温线 生态学
作者
Rongrong Xue,Yiming Zou,Zhiqiao Wang,Lei Mao,Helin Wang,Min Zhang,Ahu Shao,Jiacheng Liu,Ning Yao,Yuyao Liu,Yue Ma
出处
期刊:ACS Nano [American Chemical Society]
卷期号:17 (17): 17359-17371 被引量:32
标识
DOI:10.1021/acsnano.3c05369
摘要

Rechargeable aqueous zinc batteries (RAZBs) represent a sustainable, environmentally benign, cost-efficient energy storage solution for the scaled renewable power system. However, the cycling endurance and temperature adaptability of RAZBs are hindered by practical technological barriers such as the subzero freezing point of aqueous electrolyte, severe cation dissolution of the cathode, and dendrite growth on the Zn anode. Herein, we optimize the hybrid electrolyte formulation of 8 M ZnCl2 in the ethylene glycol-water mixed solvent to reconfigure the hydrogen bonding and [Zn(H2O)1.80(EG)0.23]2+ solvation sheath, which well balances the ionic conductivity and the antifreezing property until −125 °C. As monitored by operando X-ray diffraction, meanwhile, the structural dissolution of the V2O5 cathode upon the dynamic cycling and static idling storage at elevated temperature are effectively restrained. At the anode side, the thermally induced substitution between the Ag2Se overcoating and Zn foil in situ constructs the site-selective, mosaic interface layer, in which the solvophilic ZnSe facilitates the desolvation, while the Ag species provide zincophilic nucleation sites for high-throughput Zn deposition. The synergistic coupling of the antifreezing electrolyte and anode interfacial design enables the wide-temperature-range adaptability of the RAZB prototype (10 μm Zn foil and 1 mAh cm–2 V2O5 cathode), which balances the cycling endurance (92.5% capacity retention rate for 1000 cycles), 84.7% mitigation of the self-discharge rate at 55 °C, as well as the secured cyclability even at −40 °C.
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