Electrolyte Design via Cation–Anion Association Regulation for High-Rate and Dendrite-Free Zinc Metal Batteries at Low Temperature

化学 电解质 枝晶(数学) 联想(心理学) 金属 离子 离子缔合 无机化学 有机化学 电极 物理化学 几何学 数学 认识论 哲学
作者
Zhengtai Zha,Diantao Li,Tianjiang Sun,Qiong Sun,Jinze Hou,Zhanliang Tao,Jun Chen
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
卷期号:146 (46): 31612-31623 被引量:79
标识
DOI:10.1021/jacs.4c09524
摘要

Low-temperature zinc metal batteries (ZMBs) are highly challenged by Zn dendrite growth, especially at high current density. Here, starting from the intermolecular insights, we report a cation-anion association modulation strategy by matching different dielectric constant solvents and unveil the relationship between cation-anion association strength and Zn plating/stripping performance at low temperatures. The combination of comprehensive characterizations and theoretical calculations indicates that moderate ion association electrolytes with high ionic conductivity (12.09 mS cm-1 at -40 °C) and a stable anion-derived solid electrolyte interphase (SEI) jointly account for highly reversible and dendrite-free Zn plating/stripping behavior, resulting in high-rate and ultrastable cycle performance at low temperature. As a result, at -40 °C, Zn//Zn cells can stably cycle over 400 h at 5 mA cm-2 and 10 mAh cm-2 and Zn//Cu cells exhibit an exceptional average Coulombic efficiency (CE) of 99.91% for 1800 cycles at 1 mA cm-2 and 1 mAh cm-2. Benefiting from enhanced low-temperature Zn plating/stripping performance, Zn//PANI full cells stably operate for 12,000 cycles at 0.5A g-1 and 35,000 cycles at 5 A g-1. Impressively, at -60 °C, Zn//Cu cells still display a high average CE of 99.68% for 2000 cycles. This work underscores the crucial effect of cation-anion association regulation for high-rate and dendrite-free Zn metal anodes, deepening the understanding of intermolecular interaction insights for low-temperature electrolyte design.
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