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Taming Zn Electrochemistry with Carbon Nitride: Atomically Gradient Interphase for Highly Reversible Aqueous Zn Batteries

材料科学 法拉第效率 阳极 电解质 化学工程 水溶液 氮化物 电化学 剥离(纤维) 碳纤维 电镀(地质) 氮化碳 枝晶(数学) 纳米技术 图层(电子) 复合材料 电极 冶金 化学 物理化学 有机化学 催化作用 工程类 地质学 复合数 光催化 数学 地球物理学 几何学
作者
Wenyao Zhang,Qiushi Yao,Chao Wang,Renfei Feng,Ning Chen,Junwu Zhu,Zhi Li
出处
期刊:Advanced Functional Materials [Wiley]
被引量:2
标识
DOI:10.1002/adfm.202303590
摘要

Abstract The irreversibility issuesof metallic zinc (Zn) anode of low Coulombic efficiency, persistent parasitic reactions, and severe dendrite growth remain a fundamental, century‐old challenge hindering the practical applications in rechargeable aqueous batteries. Herein, a promising atomically gradient solid electrolyte interphase (SEI) strategy is demmonstrated, in which the bottom sublayer of atomic Cu dispersed carbon nitride tightly anchors the whole SEI layer onto Zn anode, whereas the top carbon nitride uniformizes Zn 2+ flux, facilitates Zn 2+ diffusion, and detaches the reactive water molecules. Theoretical simulations and structural analysis confirm the strong interactions of this SEI with Zn 2+ ions that launch an ion‐sieving effect to enable single Zn 2+ ion conduction, and the porous and stiff feature accommodates the deposition stress and volume change under plating/stripping, ensuring consistent conformal contact on the substrate meanwhile suppressing the generation of Zn protuberant tips. Representative X‐ray computed tomography study demonstrates the failure mode of the Zn anodes under aqueous electrolyte and verifies the homogeneous Zn electrodeposition behavior and spatially compact metallic structure in the presence of this hydrophobic‐zincophilic SEI. Consequently, dendrite‐free Zn plating/stripping at ≈99.2% Coulombic efficiency for 200 cycles, steady charge–discharge for 2000 h, and impressive full cell cyclability are achieved.
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