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Geometric Matching Effect of Tetrahedral Cation Adsorption Enables Reliable Interfacial Engineering toward Stable Aqueous Zinc-Ion Batteries

材料科学 电解质 水溶液 吸附 相间 化学物理 氢键 四面体 化学工程 电极 分子 图层(电子) 合理设计 纳米技术 对称(几何) 平面的 纳米线 单层 分子动力学 分子间力 结晶学 密度泛函理论 无机化学
作者
Xinming Xu,Long Su,Xi Zhang,Lianwen He,Jiayi Li,Fei Lu,Liqiang Zheng,Xinpei Gao
出处
期刊:ACS Nano [American Chemical Society]
卷期号:20 (8): 7158-7169
标识
DOI:10.1021/acsnano.5c20170
摘要

Geometry-driven molecular design provides a promising route for controlling electrode/electrolyte interfaces in aqueous zinc-ion batteries (AZIBs), yet rational additive selection remains challenging. This study demonstrates the effectiveness of molecular point group theory as a screening principle for high-performance electrolyte additives. The tetrahedral quaternary phosphonium cation (P4444+) stands out for its inherently high Td symmetry and localized polarization, compared with asymmetric cations. Combined experimental and theoretical results reveal that P4444+ maintains a stereochemically locked Td → C3v adsorption geometry, assembling into a uniform and gradient protective layer (cation-rich inner/anion-rich outer) that displaces interfacial water. This ordered interphase transforms in situ into a ZnP/ZnF2-enriched solid electrolyte interphase (SEI), effectively suppressing hydrogen evolution, mitigating corrosion, and channeling Zn2+ flux into planar and dendrite-free deposition. Consequently, Zn//Zn cells with P4444+ additives achieve extended cycle life exceeding 3000 h at 1 mA cm-2 and 1200 h at 5 mA cm-2, while Zn//polyaniline (PANI) full cells maintain 86.2% capacity after 2000 cycles at 1.0 A g-1. These findings reveal a strong correlation between molecular symmetry and interfacial stability, which offers insights for next-generation additive design and advancing high-performance, durable AZIBs.
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