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StabilizingAnion-Derived Interphase by Machine-Learning-AcceleratedScreening of Out-of-Shell Co-Solvents for Aqueous Zinc Batteries

化学 电解质 相间 溶剂化 法拉第效率 水溶液 分子动力学 化学工程 表征(材料科学) 理论(学习稳定性) 工作(物理) 化学物理 电池(电) 纳米技术 化学稳定性 离子 阳离子聚合 隐溶剂化
作者
Yaxin Ru,Feng Wang,Xiaoyu Yu,Yiming Chen,Zeheng Lv,Yuan Tian,Yu Tang,Qingao Zhao,Haiyan Luo,Junhao Wang,Yueli Lin,Yuran Yang,Yang Yang,Wanhai Zhou,Dongliang Chao,Yeguo Zou,Jun Cheng,Yu Qiao,Shi‐Gang Sun
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
卷期号:148 (31): 33460-33473
标识
DOI:10.1021/jacs.6c08549
摘要

Aqueous zinc batteries (AZBs) lack a stable anion-derived solid electrolyte interphase (SEI) on the Zn anode, resulting in severe competition between Zn deposition and the hydrogen evolution reaction (HER). A conventional in-shell co-solvent coordinates strongly with Zn2+, displacing coordinated water and weakening Zn2+-anion interactions. This introduces a critical trade-off between HER suppression and anion-derived SEI formation. Here, we propose an out-of-shell co-solvent strategy that weakens Zn2+-H2O interactions, thereby enhancing Zn2+-anion interactions. To screen an optimal candidate, machine learning molecular dynamics (MLMD) was employed, achieving a ∼104-fold acceleration over ab initio molecular dynamics (AIMD) without sacrificing accuracy, and identifying N,N-dimethylacetamide (DMAC) from 28 candidates. In situ spectroscopic characterization further reveals that DMAC reconstructs the solvation environment, which facilitates desolvation and mitigates the formation of the inherently anion-lean interface. Consequently, this strategy promotes anion-derived SEI formation, synergistically suppressing HER. The DMAC electrolyte exhibits high Coulombic efficiency in Zn∥Cu cells (99.3% over 950 cycles) and long-term stability in Zn∥I2 full cells (12,000 cycles). Beyond demonstrating a rational electrolyte design, this work illustrates that MD simulations reform the traditional closed loop from material regulation to performance feedback, while ML integration accelerates screening. For bulk-interfacial solvation structure discrepancies, a feedback loop founded on dynamic interfacial processes regulates MLMD parameters, enabling more precise performance regulation.
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