Fluoride-Rich, Organic–Inorganic Gradient Interphase Enabled by Sacrificial Solvation Shells for Reversible Zinc Metal Batteries

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作者
Wangwang Xu,Jiantao Li,Xiaobin Liao,Lei Zhang,Xiaoman Zhang,Chaozheng Liu,Khalil Amine,Kangning Zhao,Jun Lü
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
卷期号:145 (41): 22456-22465 被引量:254
标识
DOI:10.1021/jacs.3c06523
摘要

Zinc metal batteries are strongly hindered by water corrosion, as solvated zinc ions would bring the active water molecules to the electrode/electrolyte interface constantly. Herein, we report a sacrificial solvation shell to repel active water molecules from the electrode/electrolyte interface and assist in forming a fluoride-rich, organic-inorganic gradient solid electrolyte interface (SEI) layer. The simultaneous sacrificial process of methanol and Zn(CF3SO3)2 results in the gradient SEI layer with an organic-rich surface (CH2OC- and C5 product) and an inorganic-rich (ZnF2) bottom, which combines the merits of fast ion diffusion and high flexibility. As a result, the methanol additive enables corrosion-free zinc stripping/plating on copper foils for 300 cycles with an average coulombic efficiency of 99.5%, a record high cumulative plating capacity of 10 A h/cm2 at 40 mA/cm2 in Zn/Zn symmetrical batteries. More importantly, at an ultralow N/P ratio of 2, the practical VO2//20 μm thick Zn plate full batteries with a high areal capacity of 4.7 mAh/cm2 stably operate for over 250 cycles, establishing their promising application for grid-scale energy storage devices. Furthermore, directly utilizing the 20 μm thick Zn for the commercial-level areal capacity (4.7 mAh/cm2) full zinc battery in our work would simplify the manufacturing process and boost the development of the commercial zinc battery for stationary storage.
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