Three-Dimensional Visualization of Chemical Stratification and Pathological Redistribution in Aqueous Zinc Batteries

电解质 水溶液 分层(种子) 化学 多物理 再分配(选举) 化学工程 材料科学 化学物理 储能 不稳定性 化学能 无机化学 对流 离子 自然对流
作者
Zhongxi Zhao,Yongtang Chen,Yongfu Liu,Jiangfeng Huang,Junshuo Lian,Yaoming Leng,Peng Tan
出处
期刊:ACS energy letters [American Chemical Society]
卷期号:11 (5): 3861-3871
标识
DOI:10.1021/acsenergylett.6c00171
摘要

The deployment of aqueous zinc batteries in next-generation energy storage is hindered by interfacial instability of the zinc anode, closely linked to the spatiotemporal evolution of interfacial chemical fields. Herein, an in-situ 3D pH visualization platform directly reveals a spontaneous and persistent gravity-aligned pH gradient at the zinc-electrolyte interface, reaching ∼0.6 between the upper and lower regions. Coupled multiphysics simulations show that electrochemically induced electrolyte density stratification drives natural convection, dominating ion and proton transport and sustaining pH and Zn2+ gradients. The resulting vertical chemical stratification spatially decouples interfacial reactions, leading to directional zinc redistribution. As a proof of concept, suppressing convection using a mixed-salt electrolyte homogenizes the interfacial pH (ΔpH < 0.1) and extends the cycling lifetime of symmetric zinc batteries by over 75%. This work reveals a gravity-coupled mechanism governing interfacial chemical field evolution, providing general physical principles for stabilizing aqueous metal anodes.
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