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Simultaneous Inhibition of Zn Dendrites and Polyiodide Ions Shuttle Effect by an Anion Concentrated Electrolyte Membrane for Long Lifespan Aqueous Zinc–Iodine Batteries

电解质 无机化学 水溶液 化学 电化学 离子 材料科学 有机化学 电极 物理化学
作者
Pengxiang Lin,Guanhong Chen,Yuanhong Kang,Minghao Zhang,Jin Yang,Zeheng Lv,Yang Yang,Jinbao Zhao
出处
期刊:ACS Nano [American Chemical Society]
卷期号:17 (16): 15492-15503 被引量:83
标识
DOI:10.1021/acsnano.3c01518
摘要

Aqueous zinc-iodine (Zn-I2) batteries have attracted extensive attention due to their merits of inherent safety, wide natural abundance, and low cost. However, their application is seriously hindered by the irreversible capacity loss resulting from both anode and cathode. Herein, an anion concentrated electrolyte (ACE) membrane is designed to manipulate the Zn2+ ion flux on the zinc anode side and restrain the shuttle effect of polyiodide ions on the I2 cathode side simultaneously to realize long-lifetime separator-free Zn-I2 batteries. The ACE membrane with abundant sulfonic acid groups possesses a multifunctional amalgamation of good mechanical strength, guided Zn2+ ion transport, and effective charge repulsion of polyiodide ions. Moreover, rich ether oxygen, carbonyl, and S-O bonds in anionic polymer chains will form hydrogen bonds with water to reduce the proportion of free water in the ACE membrane, inhibiting the water-induced interfacial side reactions of the Zn metal anode. Besides, DFT calculations and in-situ UV-vis and in situ Raman results reveal that the shuttle effect of polyiodide ions is also significantly suppressed. Therefore, the ACE membrane enables a long lifespan of Zn anodes (3700 h) and excellent cycling stability of Zn-I2 batteries (10000 cycles), thus establishing a substantial base for their practical applications.
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