Anion Concentration Gradient-Assisted Construction of a Solid–Electrolyte Interphase for a Stable Zinc Metal Anode at High Rates

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作者
Xiaofeng He,Yanglansen Cui,Yongchao Qian,Yadong Wu,Haoyang Ling,Huanrong Zhang,Xiangyu Kong,Yong Zhao,Mianqi Xue,Lei Jiang,Liping Wen
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
卷期号:144 (25): 11168-11177 被引量:89
标识
DOI:10.1021/jacs.2c01815
摘要

Coulombic efficiency (CE) and cycle life of metal anodes (lithium, sodium, zinc) are limited by dendritic growth and side reactions in rechargeable metal batteries. Here, we proposed a concept for constructing an anion concentration gradient (ACG)-assisted solid-electrolyte interphase (SEI) for ultrahigh ionic conductivity on metal anodes, in which the SEI layer is fabricated through an in situ chemical reaction of the sulfonic acid polymer and zinc (Zn) metal. Owing to the driving force of the sulfonate concentration gradient and high bulky sulfonate concentration, a promoted Zn2+ ionic conductivity and inhibited anion diffusion in the SEI layer are realized, resulting in a significant suppression of dendrite growth and side reaction. The presence of ACG-SEI on the Zn metal enables stable Zn plating/stripping over 2000 h at a high current density of 20 mA cm-2 and a capacity of 5 mAh cm-2 in Zn/Zn symmetric cells, and moreover an improved cycling stability is also observed in Zn/MnO2 full cells and Zn/AC supercapacitors. The SEI layer containing anion concentration gradients for stable cycling of a metal anode sheds a new light on the fundamental understanding of cation plating/stripping on metal electrodes and technical advances of rechargeable metal batteries with remarkable performance under practical conditions.
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