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Innovative synergistic control of electric fields and Zn2+ dynamics for revolutionizing zinc metal battery stability

锌 电池(电) 金属 锌化合物 理论(学习稳定性) 化学 材料科学 无机化学 纳米技术 计算机科学 物理 有机化学 热力学 机器学习 功率(物理)
作者
Shengqiang Zhang,Chengxin Liu,Yangyang Wang,Ao Xu,Chunxia Chen,Xiaojie Liu
出处
期刊:Chemical Science [Royal Society of Chemistry]
卷期号:16 (13): 5651-5661 被引量:5
标识
DOI:10.1039/d4sc08518c
摘要

Aqueous zinc-ion batteries (ZIBs) are emerging as promising next-generation energy storage systems due to their inherent safety, environmental sustainability, and cost-effectiveness. However, their widespread application is hindered by challenges such as dendritic Zn growth, hydrogen evolution, and corrosion-induced passivation, which compromise performance and scalability. To overcome these obstacles, we developed a novel dual-interface modified zinc anode by integrating a zinc fluoride (ZnF2)-silicon (Si) interface using fluorine-doped silicon nanoparticles encapsulated within hollow mesoporous carbon nanospheres (F-Si@HMCS). The in situ formation of a ZnF2 layer provides high electrochemical stability, effectively suppressing dendrite formation, mitigating zinc corrosion, and reducing side reactions with the electrolyte. The silica layer further facilitates uniform Zn electrodeposition by forming Si-O-Zn bonds, which regulate electric field distribution and lower nucleation energy barriers. Additionally, the hollow mesoporous carbon structure facilitates efficient ion transport and acts as a buffer against volume changes during cycling. Consequently, the F-Si@HMCS@Zn electrode exhibits a long lifespan of over 2500 h at 5 mA cm-2 with a capacity of 0.5 mA h cm-2 in a symmetrical cell test. When coupled with α-MnO2 cathodes, the resulting ZIBs exhibit outstanding stable cycle life over 2000 cycles at 2 A g-1.
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