Solvation-engineering-enabled quasi-solid positive electrode for four-electron aqueous Zn||Br batteries

电极 水溶液 材料科学 化学工程 电化学 化学 锂离子电池的纳米结构 电池(电) 能量密度 无机化学 纳米技术
作者
Zejun Chen,Mengzi Geng,Shizhen Li,Hangqi Yang,Wanru Chen,Ning Li,Xianbo Jin,Chuang Peng
出处
期刊:Nature Communications [Nature Portfolio]
标识
DOI:10.1038/s41467-026-76399-2
摘要

Diffusion, crossover, and hydrolysis of bromine species in aqueous electrolytes impede the application of Zn||Br batteries with four-electron 2Br+/Br2/2Br− conversion. Here, we study a ligand-assisted sparingly solvating electrolyte using ZnSO4·7H2O and urea. The high solubility of urea suppresses water activity, while its stronger affinity toward bromine enables preferential coordination over water molecules. This synergistic effect creates a quasi-solvent-free microenvironment that limits bromine solvation and diffusion, resulting in a robust quasi-solid cathode. Moreover, the compact solvation structure favors the formation and stability of Br+ species by strengthening nucleophilic urea coordination and inhibiting hydrolysis. Consequently, the fabricated Zn||Br battery exhibits reversible 4e bromine chemistry with a capacity of 417.5 mAh g−1 at 1 A g−1 (based on KBr). A zinc battery coupling the 4e iodine positive electrode and 4e bromine (from the electrolyte) is constructed, yielding a total 8e transfer with a capacity of 897.8 mAh g−1 and a specific energy of 1,344 Wh kg−1 at 2 A g−1 (based on KI). Aqueous Zn||Br batteries suffer from bromine diffusion, crossover and hydrolysis. Here, authors design a urea-assisted electrolyte that suppresses water activity and stabilizes bromine species, enabling reversible 4e bromine chemistry and high-energy dual-halogen zinc batteries.
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