Unconventional charge compensation mechanism for proton insertion in aqueous Zn-ion batteries

质子 离子 电荷(物理) 机制(生物学) 补偿(心理学) 水溶液 化学 物理 物理化学 核物理学 心理学 有机化学 精神分析 量子力学
作者
Jiwei Wang,Heran Huang,Linna Qiao,Haonan Wang,Krystal Lee,Guangwen Zhou,Hao Liu
标识
DOI:10.26434/chemrxiv-2024-k0sss
摘要

Aqueous Zn-ion batteries have been proposed as safe and economical options for large-scale energy storage. In theory, they operate by reversibly shuttling zinc ions between a metallic zinc anode and a cathode material for Zn2+ ion intercalation through an aqueous electrolyte of a zinc salt solution. In practice, protons (H+) in the aqueous electrolyte can compete with and even predominate Zn2+ in the intercalation reaction. A diagnostic consequence of H+, as opposed to Zn2+, insertion is the precipitation of layered double hydroxide (LDH) crystals, which can be readily identified by electron microscopy and X-ray diffraction measurements. Absence of LDH formation has been perceived as evidence for Zn2+ insertion. Using a combination of X-ray diffraction, electron microscopy, X-ray photoelectron spectroscopy, we reveal a different charge compensation mechanism in a vanadyl phosphate electrode, where H+ insertion predominates in an aqueous Zn(CF3SO3)2 electrolyte. The H+ insertion induces a conformal deposition of an amorphous ZnO layer on the electrode particle, which cannot be captured by scanning electron microscopy or X-ray diffraction. Our work underlines the complexity of the charge compensation mechanism in aqueous Zn-ion batteries, which is relevant to other multivalent systems.
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