Ionic liquid additive enabling anti-freezing aqueous electrolyte and dendrite-free Zn metal electrode with organic/inorganic hybrid solid electrolyte interphase layer

电解质 离子液体 材料科学 过电位 无机化学 水溶液 电化学窗口 电化学 离子电导率 化学工程 电极 化学 有机化学 催化作用 物理化学 工程类
作者
Jizhang Chen,Weijun Zhou,Yuhui Quan,Bo Liu,Ming Yang,Minfeng Chen,Xiang Han,Xinwu Xu,Peixin Zhang,Siqi Shi
出处
期刊:Energy Storage Materials [Elsevier BV]
卷期号:53: 629-637 被引量:164
标识
DOI:10.1016/j.ensm.2022.10.004
摘要

Benefiting from intrinsic safety, low cost, and competitive energy density, aqueous zinc-ion batteries (AZIBs) have attracted tremendous research interest, whereas suffering from low stability of Zn metal anode in aqueous electrolytes. Herein, 1-butyl-3-methylimidazolium trifluoromethanesulfonate ([BMIM]OTF), a water-soluble ionic liquid with very low melting point, is used as the electrolyte additive. The addition of [BMIM]OTF only slightly influences the ionic conductivity of 3 M Zn(OTF)2 aqueous electrolyte at room temperature, while considerably improving the tolerance to low temperatures. This additive is also found to be preferentially adsorbed on the Zn electrode, tune the solvation sheath of hydrated Zn2+ ions, reduce the corrosion activity of Zn electrode, and enable the formation of an organic/inorganic hybrid solid electrolyte interphase (SEI) layer. Such SEI layer is zincophilic and hydrophobic, thereby decreasing the nucleation overpotential of Zn plating, enhancing the interfacial charge transfer kinetics, homogenizing the Zn deposition behavior, and inhibiting parasitic side reactions. With the [BMIM]OTF-modified electrolyte, the Zn//Zn symmetric cell offers good cyclability even under extremely large areal capacity of 25 mAh cm−2. And the assembled AZIB with an Al-vanadate cathode material exhibits excellent performances even at −30 °C. This work provides new insights into stabilizing aqueous batteries.
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