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Co-Solvent Electrolyte Engineering for Stable Anode-Free Zinc Metal Batteries

电解质 阳极 法拉第效率 化学 溶剂化 化学工程 电池(电) 无机化学 金属 溶剂 电极 有机化学 功率(物理) 物理化学 工程类 物理 量子力学
作者
Fangwang Ming,Yunpei Zhu,Gang Huang,Abdul‐Hamid Emwas,Hanfeng Liang,Yi Cui,Husam N. Alshareef
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
卷期号:144 (16): 7160-7170 被引量:615
标识
DOI:10.1021/jacs.1c12764
摘要

Anode-free metal batteries can in principle offer higher energy density, but this requires them to have extraordinary Coulombic efficiency (>99.7%). Although Zn-based metal batteries are promising for stationary storage, the parasitic side reactions make anode-free batteries difficult to achieve in practice. In this work, a salting-in-effect-induced hybrid electrolyte is proposed as an effective strategy that enables both a highly reversible Zn anode and good stability and compatibility toward various cathodes. The as-prepared electrolyte can also work well under a wide temperature range (i.e., from -20 to 50 °C). It is demonstrated that in the presence of propylene carbonate, triflate anions are involved in the Zn2+ solvation sheath structure, even at a low salt concentration (2.14 M). The unique solvation structure results in the reduction of anions, thus forming a hydrophobic solid electrolyte interphase. The waterproof interphase along with the decreased water activity in the hybrid electrolyte effectively prevents side reactions, thus ensuring a stable Zn anode with an unprecedented Coulombic efficiency (99.93% over 500 cycles at 1 mA cm-2). More importantly, we design an anode-free Zn metal battery that exhibits excellent cycling stability (80% capacity retention after 275 cycles at 0.5 mA cm-2). This work provides a universal strategy to design co-solvent electrolytes for anode-free Zn metal batteries.
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