A high-voltage Zn-air battery based on an asymmetric electrolyte configuration

材料科学 电解质 电池(电) 阴极 阳极 离子电导率 氧化还原 储能 无机化学 化学工程 电极 物理化学 工程类 功率(物理) 物理 化学 冶金 量子力学
作者
Hua Zhang,Minshen Zhu,Hongmei Tang,Qiongqiong Lu,Ting Yang,Xiaoyu Wang,Bin Chen,Zhe Qu,Xia Wang,Minghao Yu,Daniil Karnaushenko,Dmitriy D. Karnaushenko,Yang Huang,Oliver G. Schmidt,Kai Zhang
出处
期刊:Energy Storage Materials [Elsevier BV]
卷期号:59: 102791-102791 被引量:35
标识
DOI:10.1016/j.ensm.2023.102791
摘要

Rechargeable Zn-air batteries promise safe energy storage. However, they are limited by the redox potential of O2/O2- chemistry in an alkaline electrolyte, resulting in low operating voltages and therefore insufficient energy density to compete with lithium-ion batteries. The O2/O2- redox potential increases by 0.8 V in an acidic medium, hinting at a way to boost the voltage: an asymmetric electrolyte configuration decoupling acidic and alkaline electrolytes for the air cathode and zinc anode. Such configuration requires a thin and ionically conductive membrane to separate two mutually incompatible electrolytes. Here, we report a Zn ion-exchange membrane with high ionic conductivity of 1.1 mS cm-1, which prevents acid-base neutralization. The highly reversible O2/O2- reaction in the acid is made possible by compositing a cobalt-coordinated porphyrin-based polymeric framework with MXene as a bifunctional electrocatalyst. The asymmetric Zn-air battery operates at voltages up to 1.85 V and cycles for more than 200 h with a material-level energy density of 1350 Wh kg-1, projected to a high device-level energy density of 50 Wh kg-1 (coin cell diameter: 20 mm). The asymmetric configuration withstands pressure up to 4 MPa (∼1200 N), demonstrating excellent structural stability for production and practical applications.
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