Intrinsic Hydrogen‐Bond Donors‐Lined Organophosphate Superionic Nanochannels Levering High‐Rate‐Endurable Aqueous Zn Batteries

材料科学 阳极 过电位 水溶液 氢键 密度泛函理论 纳米技术 无机化学 化学工程 电化学 物理化学 计算化学 有机化学 分子 电极 化学 工程类
作者
Jiangfeng He,Yongchao Tang,Guigui Liu,Hongqing Li,Minghui Ye,Yufei Zhang,Qi Yang,Xiaoqing Liu,Cheng Chao Li
出处
期刊:Advanced Energy Materials [Wiley]
卷期号:12 (46) 被引量:34
标识
DOI:10.1002/aenm.202202661
摘要

Abstract Organic/inorganic hybrid artificial functional layer (AFL) designs of Zn anode have witnessed good progress in stabilizing the Zn anode. However, such processes remain uncapable of simultaneously providing durable protection and fast Zn 2+ migration, especially in high‐rate scenarios. Herein, intrinsic hydrogen‐bond donor (HBD)‐lined organophosphate superionic nanochannels are initially engineered to address this challenge. Due to unique ordered nanochannels with a smaller diameter than that of hydrated Zn 2+ ions and polyanions, hydroxymethyl Zn phosphates (Zn(O 3 PCH 2 OH, ZnOPC) are first considered for AFL design. The small size can provide an interception for polyanions. Density functional theory calculation indicates that ZnOPC nanochannels possess a 35% lower Zn 2+ migration energy barrier than conventional Zn phosphate, highly consistent with tested results. Additionally, as HBDs, rich ‐CH 2 OH groups located at nanochannels impose a targeted hydrogen‐bonding interaction with water molecules. Consequently, at an ultrahigh current density up to 50 mA cm −2 , the Zn@ZnOPC anode shows a 36% lower overpotential than that of the bare Zn anode. As‐assembled Zn @ ZnOPC//NaV 3 O 8 · 1.5H 2 O full cells exhibit an ultralong lifespan of 20 000 cycles at 20 A g −1 , with a low capacity‐decay of 0.016% per cycle. This work features a targeted hydrogen bonding‐enhanced desolvation effect occurring in organophosphate superionic nanochannels, which would enlighten to explore reliable fast‐charging aqueous batteries.
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