SiO2 Nanoparticles‐Induced Antifreezing Hydrogel Electrolyte Enables Zn–I2 Batteries with Complete and Reversible Four‐Electron‐Transfer Mechanisms at Low Temperatures

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作者
Minghui Chen,Guanhong Chen,Chenxi Sun,Xinyu Li,Minghao Zhang,Haiming Hua,Jinbao Zhao,Yang Yang
出处
期刊:Angewandte Chemie [Wiley]
卷期号:64 (21): e202502005-e202502005 被引量:29
标识
DOI:10.1002/anie.202502005
摘要

Four-electron-transfer aqueous zinc-iodine batteries hold significant promise for large-scale energy storage due to their high specific capacities. However, achieving four-electron-transfer mechanisms under subzero temperatures remains challenging due to freezing point limitations of conventional aqueous electrolytes and sluggish reaction kinetics. Herein, an antifreezing hydrogel electrolyte (HC-SiO2) is developed through the spontaneous gelation of a high-concentration electrolyte (1 m Zn(OAc)2 + 21 m LiCl, HC) with SiO2 nanoparticles, enabling low-temperature operation of quasi-solid-state Zn-I2 batteries with complete and reversible four-electron-transfer processes. Abundant interactions between dispersed SiO2 nanoparticles and cations enlarge ion-pair distances, reducing close ion-pair formation and lowering the freezing temperature (-60.7 °C). Furthermore, the quasi-solid-state hydrogel electrolyte combines advantages of reduced water activity and disrupted hydrogen-bond networks, effectively suppressing I+ hydrolysis while inhibiting ice nucleation. Additionally, the utilization of low-concentration Zn(OAc)2 combined with high-concentration LiCl increases availability of free Cl- by mitigating strong ionic interaction in conventional ZnCl2-based concentrated electrolytes, thereby enhancing reaction kinetics of the I2/I+ conversion. Benefiting from synergistic manipulation of ionic interaction, water activity, and Cl- activity, the HC-SiO2 hydrogel achieves a high capacity of 490.9 mAh g-1 and durable lifespan exceeding 11,000 cycles at -20 °C. These findings offer valuable insights for advancing practical low-temperature Zn-I2 batteries.
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