Well-Aligned Liquid Crystal Interface and Expanded Solvation Sheath Accelerate Zn2+ Desolvation Kinetics for Stable Zinc Batteries

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作者
Chen Li,Yuxuan Liu,Jiangwen Liu,Mili Liu,Yulong Gao,Xinyu Wang,Yongshuo Zheng,Jun Liu,Longtao Ma,Liuzhang Ouyang,Min Zhu
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
标识
DOI:10.1021/jacs.5c06049
摘要

The straightforward processing and assembly of zinc batteries enable large-scale production and cost-effective energy storage solutions. However, nonuniform Zn plating and parasitic reactions impede practical deployment, which can be addressed through advanced interfacial modifications and enhanced Zn2+ transport kinetics. Herein, we developed a trace additive based on a tailored liquid crystal molecule (4-pentyl-4'-cyanobiphenyl, 5CB), which preferentially adsorbs onto the zinc surface to form a dynamic ordered interfacial layer and modulate the Zn2+ solvation shell due to its self-assembling and anisotropic properties. The interfacial layer inhibits solvent decomposition and side reactions, while the expanded solvation shell weakens Zn2+ interactions with both solvents and anion, lowering the desolvation barrier and enabling fast, uniform Zn2+ transport. Consequently, the Zn2+ transfer number increases from 0.29 to 0.71, and epitaxial deposition of Zn2+ along the (002) crystal plane is promoted, ensuring uniform zinc deposition. Benefiting from the liquid crystal interfacial layer, the Zn∥Zn symmetric cell demonstrates exceptional cycling stability for up to 2000 h, surpassing that without 5CB (only 400 h) while asymmetric Zn∥Ti cells with 5CB maintain >99.1% Coulombic efficiency after 1100 cycles, compared to rapid degradation without 5CB. The Zn∥PANI full cells deliver 157.6 mAh g-1 at 0.1 A g-1, retaining 130.1 mAh g-1 at a high current density of 5 A g-1, and achieves 86% capacity retention over 500 cycles. These findings highlight the effectiveness of liquid crystal interfacial engineering in improving Zn-ion transport kinetics and stabilizing Zn anodes, paving the way for high-performance, long-lifetime zinc batteries.
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