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Paschen–Back effect modulation of SO42- hydration in magnetized electrolyte toward dendrite-free Zn-ion batteries

电解质 离子 枝晶(数学) 材料科学 调制(音乐) 化学物理 化学 电极 物理 物理化学 几何学 声学 数学 有机化学
作者
Xiayan Yao,Zhi Wang,Jianwei Guo,Guoyu Qian,Hongchen Wang,Xuzhong Gong,Dong Wang
出处
期刊:Nature Communications [Nature Portfolio]
卷期号:16 (1): 5740-5740 被引量:14
标识
DOI:10.1038/s41467-025-61310-2
摘要

Tuning anionic solvation structures and dynamic processes at solid–liquid interfaces is critical yet challenging for stabilizing Zn metal negative electrodes in Zn-ion batteries, particularly due to the issue of dendrite formation and hydrogen evolution reaction. Here, we show that highly hydrated SO42- can be effectively modulated under a strong magnetic field via the Paschen–Back effect on O-H vibrations, which reorients individual water molecules to manipulate Zn2+ solvation and protonated water clusters (H3O+). Molecular dynamics simulations and in situ Raman spectroscopy reveal that the hydrated SO42-–H2O complexes promote Zn2+ nucleation and deposition on the (002) plane, with preferential oxygen adsorption inhibiting two-dimensional Zn2+ diffusion. Moreover, magnetizing the electrolyte disrupts the Grotthuss proton-transfer pathway, suppressing H2 evolution and further reducing dendrite formation. By employing inexpensive permanent magnets without external power, this magnetization strategy offers a practical, energy-efficient route to enhance both the stability and performance of zinc-based rechargeable batteries. Dendrite growth and hydrogen evolution limit the stability of aqueous zinc metal batteries. Here, authors use a magnetic field to tune ion solvation and proton transfer, enabling uniform Zn deposition and suppressing side reactions, offering a simple strategy to boost battery performance.
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