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Boosting the Kinetics and Stability of Zn Anodes in Aqueous Electrolytes with Supramolecular Cyclodextrin Additives

化学 环糊精 动力学 水溶液 电解质 无机化学 Boosting(机器学习) 超分子化学 组合化学 分子 有机化学 电极 物理化学 物理 机器学习 量子力学 计算机科学
作者
Kang Zhao,Guilan Fan,Jiuding Liu,Fangming Liu,Jinhan Li,Xunzhu Zhou,Youxuan Ni,Meng Yu,Ying‐Ming Zhang,Hui Su,Qinghua Liu,Fangyi Cheng
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
卷期号:144 (25): 11129-11137 被引量:498
标识
DOI:10.1021/jacs.2c00551
摘要

The hydrophobic internal cavity and hydrophilic external surface of cyclodextrins (CDs) render promising electrochemical applications. Here, we report a comparative and mechanistic study on the use of CD molecules (α-, β-, and γ-CD) as electrolyte additives for rechargeable Zn batteries. The addition of α-CD in aqueous ZnSO4 solution reduces nucleation overpotential and activation energy of Zn plating and suppresses H2 generation. Computational, spectroscopic, and electrochemical studies reveal that α-CD preferentially adsorbs in parallel on the Zn surface via secondary hydroxyl groups, suppressing water-induced side reactions of hydrogen evolution and hydroxide sulfate formation. Additionally, the hydrophilic exterior surface of α-CD with intense electron density simultaneously facilitates Zn2+ deposition and alleviates Zn dendrite formation. A formulated 3 M ZnSO4 + 10 mM α-CD electrolyte enables homogenous Zn plating/stripping (average Coulombic efficiency ∼ 99.90%) at 1 mA cm–2 in Zn|Cu cells and a considerable capacity retention of 84.20% after 800 cycles in Zn|V2O5 full batteries. This study provides insight into the use of supramolecular macrocycles to modulate and enhance the interface stability and kinetics of metallic anodes for aqueous battery chemistry.
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