Synergistic regulation of the Zn 2+ solvation environment and interfacial stability using a rhodamine 6G additive in aqueous zinc ion batteries

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作者
Nuo Nian,L. J. Li,Liyu Qin,Yibo Hao,Lei Liu,Zijie Xu,Guozhao Fang
出处
期刊:Nanoscale [Royal Society of Chemistry]
卷期号:18 (4): 2165-2175 被引量:2
标识
DOI:10.1039/d5nr03738g
摘要

In response to the challenges faced by zinc anodes in aqueous zinc-ion batteries, such as dendrite growth and interface corrosion, this study introduces rhodamine 6G (R6G) as an electrolyte additive. The collective evidence from DFT calculations and experimental characterization studies-specifically, the binding energy (-15.11 eV), the adsorption energy (-2.533 eV), and the HOMO-LUMO gap (1.102 eV)-reveals a dual-function mechanism: (1) polar groups (-NHCH2CH3 and -COOCH2CH3) preferentially replace the coordinated water molecules in the first solvation layer of Zn2+, reducing the desolvation energy barrier and (2) the rigid conjugated skeleton adsorbs on the zinc surface via π-Zn interactions, contributing to the formation of a protective organic-inorganic composite SEI film. As observed from the electrochemical testing results, the optimized R6G electrolyte enables Zn||Zn cells to undergo 1410 h of cycling at 0.5 mA cm-2/0.5 mAh cm-2 and 219 h at 5 mA cm-2/5 mAh cm-2. Meanwhile, the Zn||Cu cell achieves an average coulombic efficiency of 99.7% after 1200 cycles. The Zn||MnO2 full cell exhibited a specific capacity of 152 mAh g-1 after 1200 cycles at 1 A g-1 with a capacity retention rate of 76.4%. Therefore, the "coordination substitution-interface film formation" synergistic model proposed in this study provides novel insights for the design of highly stable zinc anodes.
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