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High-Rate and Long-Cycle Stability with a Dendrite-Free Zinc Anode in an Aqueous Zn-Ion Battery Using Concentrated Electrolytes

阳极 电解质 枝晶(数学) 电池(电) 水溶液 材料科学 离子 电偶阳极 化学 无机化学 冶金 电极 阴极保护 有机化学 热力学 数学 物理化学 物理 功率(物理) 几何学
作者
Bizualem Wakuma Olbasa,Fekadu Wubatu Fenta,Shuo-Feng Chiu,Meng‐Che Tsai,Chen−Jui Huang,Bikila Alemu Jote,Tamene Tadesse Beyene,Yen‐Fa Liao,Chia‐Hsin Wang,Wei‐Nien Su,Hongjie Dai,Bing−Joe Hwang
出处
期刊:ACS applied energy materials [American Chemical Society]
卷期号:3 (5): 4499-4508 被引量:147
标识
DOI:10.1021/acsaem.0c00183
摘要

Recently, metallic zinc (Zn) is becoming a promising ideal anode material for rechargeable aqueous batteries by providing high theoretical capacity (820 mA h/g) with divalent reaction, environmental friendliness, earthy abundance, low cost, low toxicity, higher water compatibility, and low electrochemical potential (−0.762 V vs SHE). However, intensive growth of zinc dendrites while plating/stripping lowers its coulombic efficiency and shortens the cycle life of the rechargeable devices. Here, we report a concentrated aqueous electrolyte (4.2 M ZnSO4 + 0.1 M MnSO4) with improved cycling stability of zinc metal anode achieving an average coulombic efficiency (ACE) ∼99.21% cycling for more than 1000 h at 0.2 mA/cm2 current density using a Zn||Cu cell. However, a frequently used diluted electrolyte (2 M ZnSO4 + 0.1 M MnSO4) only produces ACE ≈ 97.54% with a relatively short life cycle. The developed concentrated electrolyte with strongly aggregated ion pairs shows the synergetic effects of the enhanced solvation/desolvation process, electrostatic shielding, and Le Chatelier's principle. Consequently, the additives simultaneously suppress Zn dendrites and dissolution of Mn2+ ions from the MnO2 cathode. A highly stable and reversible Zn||MnO2 cell retaining about 88.37% retention capacity was obtained after cycling for more than 1200 cycles at 938 mA/g current density.
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