Hydrophilicity and Zincophilicity Coincorporated Zwitterionic Additives for High-Performance Zinc Metal Batteries

材料科学 电解质 阳极 金属 电流密度 电化学 化学工程 极化(电化学) 无机化学 电极 化学 物理化学 有机化学 工程类 物理 量子力学
作者
Shiyu Xu,Xinxin Yang,Peng Zhang,Shengyang Huang,Yuanyuan Sun,Lirui Mao,Ho Seok Park,Pil J. Yoo
出处
期刊:ACS Nano [American Chemical Society]
卷期号:19 (36): 32943-32955 被引量:5
标识
DOI:10.1021/acsnano.5c12855
摘要

Despite the potential of Zn metal batteries (ZMBs) due to their low cost, environmental benefits, and favorable Zn2+/Zn redox potential, challenges such as low Zn utilization and parasitic reactions hinder their performance. These issues arise from the thermodynamic instability of the Zn anode and high-desolvation energy barriers. To overcome these challenges, this study investigates two zwitterionic compounds with hydrophilic and zincophilic functional groups, BES (N,N-bis(2-hydroxyethyl)-2-aminoethanesulfonic acid) and MES (2-(N-morpholino)ethanesulfonic acid), selecting BES as the optimal electrolyte additive. The zwitterionic effect of BES promotes Zn2+ dissociation, reduces concentration polarization, and enhances Zn2+ kinetics, forming a dynamic electric double layer (EDL) that guides uniform Zn deposition. As a result, Zn||Zn symmetric cells with BES demonstrate dendrite-free plating/stripping for over 3300 h at 1 mA cm-2 and 2 mAh cm-2. At a high current density (5 mA cm-2) and a high areal capacity (10 mAh cm-2), stable operation is achieved for over 450 h. Zn||ZnVO full cells show over 2700 cycles at 2 A g-1 with 88% capacity retention. Zn||I2 full cells cycle stably for over 30,000 cycles at 10 A g-1 with negligible capacity decay, highlighting significant performance improvement of BES.
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