Quasi-Solid-State “Water-in-Swelling-Clay” Electrolytes Enabling Ultrastable Aqueous Zinc-Ion Batteries

电解质 肿胀 的 材料科学 阳极 化学工程 水溶液 电化学 无机化学 化学 电极 复合材料 冶金 有机化学 物理化学 工程类
作者
Siyu Tian,Taesoon Hwang,Sina Malakpour Estalaki,Yafen Tian,Long Zhang,Tye Milazzo,Seunghyun Moon,Shiwen Wu,Ruda Jian,Kenneth J. Balkus,Tengfei Luo,Kyeongjae Cho,Guoping Xiong
标识
DOI:10.26434/chemrxiv-2023-3pg7p
摘要

The poor reversibility of Zn metal anodes arising from water-induced parasitic reactions poses a significant challenge to the practical applications of aqueous zinc-ion batteries (AZIBs). Herein, a novel quasi-solid-state water-in-swelling-clay electrolyte (WiSCE) containing zinc sulfate and swelling clay bentonite (BT) is designed to enable highly reversible Zn metal anodes. AZIB full 2 cells based on the WiSCE exhibit excellent cyclic stability at various current densities, long shelf life, low self-discharge rate, and outstanding high-temperature adaptability. Particularly, the capacity of WiSCE-based AZIB full cells retains 90.47% after 200 cycles at 0.1 A/g, 96.64% after 2000 cycles at 1 A/g, and 88.29% after 5000 cycles at 3 A/g. Detailed density functional theory calculations show that strong hydrogen-bonds are formed between BT and water molecules in the WiSCE. Thus, water molecules are strongly confined by BT particularly within the interlayers, which significantly inhibits water-induced side reactions and thus greatly improves cyclic stability. Compared to the state-of-the-art water-in-salt electrolyte, the WiSCE can provide a significantly higher capacity at the full-cell level with a substantially reduced cost, which is promising for the design of next-generation high-performance AZIBs. This work provides a new direction for developing cost-competitive AZIBs as alternatives in grid-scale energy storage.
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