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Optimizing the charging protocol to address the self-discharge issues in rechargeable alkaline Zn-Co batteries

自放电 电化学 容量损失 限制 电池(电) 电极 化学 电压 材料科学 计算机科学 电气工程 工程类 功率(物理) 电解质 机械工程 物理化学 物理 量子力学
作者
Wenxu Shang,Wentao Yu,Xu Rui Xiao,Yanyi Ma,Ziqi Chen,Meng Ni,Peng Tan
出处
期刊:Applied Energy [Elsevier BV]
卷期号:308: 118366-118366 被引量:22
标识
DOI:10.1016/j.apenergy.2021.118366
摘要

Aqueous rechargeable Zn-Co batteries feature intrinsic safety and excellent electrochemical performance, and zinc metal is cheap with abundant reserves. However, a key issue, self-discharge, which may be fatal to the application, is always overlooked. Herein, the self-discharge performance is investigated systematically for the first time, and in-depth charge–discharge mechanisms are analyzed. Based on a free-standing Co3O4 electrode, the insufficient utilization of the active material is found under a conventional galvanostatic charging process. Additionally, a dramatic attenuation in the open-circuit voltage is exhibited during the delay, leading to poor capacity retention. Through electrochemical tests and ex-situ characterization, the limited capacity and the severe self-discharge behavior are ascribed to the low amount and poor stability of the high valence state, respectively. Aiming at suppressing the self-discharge behavior, a novel charging protocol is proposed based on a new mechanism, which uses a time-controlling potentiostatic charging after the galvanostatic charging process. Using this strategy, the discharge capacity increases effectively by about 31.8% from 220 to 290 mA h g−1, and the capacity retention ratio after 10 h delay lifts from 72% to 90%. More importantly, the discharge capacity remains 100% after even 2500 cycles. This work puts forward a practical method for the operation of Zn-Co batteries, addresses the limiting issues for application, and greatly facilitates the improvement of this technology. Further, the results also inspire the research of other rechargeable Zn-based batteries.
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