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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

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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 Joe 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:145
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 ZnSO 4 + 0.1 M MnSO 4 ) 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/cm 2 current density using a Zn||Cu cell. However, a frequently used diluted electrolyte (2 M ZnSO 4 + 0.1 M MnSO 4 ) 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 Mn 2+ ions from the MnO 2 cathode. A highly stable and reversible Zn||MnO 2 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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