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Synergistic Solvation and Nucleation Regulation for Enhanced Stability and Longevity in Aqueous Zinc-Ion Batteries with d-Pantothenic Acid Additive

成核 法拉第效率 阳极 过电位 化学 枝晶(数学) 水溶液 溶剂化 电化学 化学工程 无机化学 电偶阳极 离子 电极 物理化学 有机化学 阴极保护 几何学 工程类 数学
作者
Yunhe Zhang,Yun Huang,Changjian Zhang,Yang Gao,Yanzhou Wang,Caixia Li,Yiheng Wang,Xing Li,Mingshan Wang,Yuanhua Lin
出处
期刊:ACS Sustainable Chemistry & Engineering [American Chemical Society]
卷期号:13 (2): 834-845 被引量:7
标识
DOI:10.1021/acssuschemeng.4c07186
摘要

Aqueous zinc-ion batteries (AZIBs) have gained increasing attention for grid energy storage systems. However, ensuring the long-term reversible operation of the zinc anode remains a challenge due to dendrite growth and adverse side reactions during the charge and discharge cycles. This study investigates the use of d-pantothenic acid (D-PA) as an additive in 2 M ZnSO4 aqueous electrolyte to enhance the cycling stability of the zinc anode in AZIBs. Experimental results and theoretical calculations demonstrate that D-PA reshapes the solvation structure of Zn2+ by partially replacing coordinated water molecules, ensuring the stability of Zn2+ transport. Furthermore, D-PA adsorbs on active sites of the zinc anode, increasing the surface overpotential (|ηs|), reducing the nucleation energy barrier, and decreasing the critical nucleus size (rcrit), thus ensuring uniform zinc deposition. This dual role of modifying the Zn2+ solvation shell and regulating Zn2+ nucleation effectively mitigates dendrite growth and suppresses side reactions, resulting in excellent stability of the zinc anode. Consequently, Zn||Zn symmetrical cells with the D-PA additive maintain stable operation for over 2000 h at 1.0 mA cm–2 and 1.0 mA h cm–2, and nearly 4000 h at 4.0 mA cm–2 and 4.0 mA h cm–2. Additionally, Zn||Cu asymmetric cells exhibit cycling stability over 300 cycles at 0.5 mA cm–2 and 0.5 mA h cm–2, with an average Coulombic efficiency of 99.29%. Moreover, Zn||V2O5 full cells containing the D-PA additive exhibit stable cycling performance over 1000 cycles at a current density of 1 A g–1, maintaining a high capacity retention. Specifically, the initial capacity of the full cell is around 161.17 mA h g–1, with approximately 62.7% capacity retention after 1000 cycles.
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