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Dynamically Adaptive Interfacial Chemistry via Molecular Programming for Sustainable Zn Batteries

化学 成核 阳极 电化学 离子液体 相间 化学工程 氧化还原 纳米技术 降级(电信) 电池(电) 极化(电化学) 离子键合 电极 枝晶(数学) 自组装 化学稳定性 电解质 工作(物理) 按需 化学物理 储能 金属有机骨架 结构稳定性
作者
Zelin Chang,Wenyu Xu,Hao Wang,Binfen Wang,Hongbo Ding,Qi Yang,Chunyi Zhi,Xinliang Li
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
卷期号:148 (7): 7614-7624
标识
DOI:10.1021/jacs.5c21500
摘要

Artificial interfacial layers represent a promising strategy for enhancing reversible Zn redox through spatial regulation of mass-electron transport. However, intrinsic dynamic degradation of the interface, coupled with parasitic side reactions, continues to compromise long-term electrochemical stability. Herein, we engineered a mechanically adaptive ionic liquid interphase that simultaneously suppresses dendrite growth and corrosion. Crucially, this interphase dynamically self-reconfigures during cycling to maintain structural and functional integrity via zincophilic coordination and hydrophobic shielding. The engineered Zn anode achieves exceptional cyclability, operating for 200 h at 30 mAh cm–2 and delivering 5400 mAh cumulative capacity at 20 mA cm–2. Superior thermodynamic stability enables record-long 4400 h operation at 1 mA cm–2 with minimal polarization (30 mV). The deformation-adaptive architecture sustains >500% capacity retention enhancement in 30 cm2 pouch cells under multiaxial stress. Paired with an I2 cathode, the full battery retains 86% capacity after 30000 high-rate cycles at 10 A g–1. Operando spectroscopy and theoretical simulations uncover that bis(trifluoromethanesulfonyl)imide anions establish ordered nucleation templates, while 1-ethyl-3-methylimidazolium cations form dynamic hydrophobic barriers blocking water. This work integrates zincophilic-hydrophobic coordination with self-adaptive interfacial layers for practical Zn batteries.
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