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A Universal Additive Strategy to Reshape Electrolyte Solvation Structure toward Reversible Zn Storage

法拉第效率 材料科学 溶剂化 电解质 电化学 枝晶(数学) 阴极保护 氧化还原 离子 无机化学 化学工程 化学 电极 物理化学 有机化学 冶金 几何学 数学 工程类
作者
Tian Chen Li,YewVon Lim,Xue Liang Li,Songzhu Luo,Congjian Lin,Daliang Fang,Sunwen Xia,Ye Wang,Hui Ying Yang
出处
期刊:Advanced Energy Materials [Wiley]
卷期号:12 (15) 被引量:161
标识
DOI:10.1002/aenm.202103231
摘要

Abstract The benefits of Zn, despite many of its performance advantages (e.g., high theoretical capacity and low redox potential), are compromised by severe side reactions and Zn dendrite growth in aqueous electrolytes, due to the coordinated H 2 O within the Zn 2+ ‐solvation sheath and reactive free water in the bulk electrolyte. Unlike most efforts focused on costly super‐concentrated electrolytes and single additive species, a universal strategy is proposed to boost Zn reversibility in dilute electrolytes via adding carbonyl‐containing organic solvents. Based on experimental investigations and multiscale simulations, the representative electrolyte with a N ‐methyl‐2‐pyrrolidone polar additive is proved to assist in structural reshaping of Zn 2+ ‐solvation and stabilizing the hydrogen bond network of water. This synergy is instrumental in contributing to suppressed water‐induced parasitic reactions and dendrite formation, which enables high average coulombic efficiency of 99.7% over 1000 cycles in an Zn/Cu asymmetric cell, and an ultralong cycling lifespan of 2000 cycles with 99.4% capacity retention in a Zn/VS 2 @SS full cell. Even with an elevated cathodic mass loading (up to 9.5 mg cm ‐2 ), the cycling stability is still maintained. The proposed strategy provides new insight into electrolyte additive design and sheds light on high‐performance Zn‐ion batteries.
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