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Balancing Tetrahedral and Cation Entropies for Long‐lifespan Low‐temperature Zn‐ion Batteries

电解质 阳极 水溶液 电化学 离子电导率 电化学窗口 电导率 材料科学 离子 无机化学 化学工程 离子键合 化学 电极 物理化学 有机化学 工程类
作者
Yongtao Liu,Meijia Qiu,Yuxuan Liang,Shuai Zhang,Jinguo Chen,Peng Sun,Wenjie Mai
出处
期刊:Angewandte Chemie [Wiley]
卷期号:64 (36): e202506010-e202506010 被引量:5
标识
DOI:10.1002/anie.202506010
摘要

Aqueous Zn-ion batteries (AZIBs) are promising candidates for next-generation energy storage. However, their application is hindered by Zn anode instability and reduced ionic conductivity at low temperatures. Here, we identified two decisive factors for low-temperature performance and anode stability of batteries: tetrahedral entropy and cation entropy. The former is closely related to antifreezing ability of electrolyte, while the latter is associated with the desolvation kinetics of Zn2+. We propose an effective strategy to balance the above two thermodynamic quantities by precisely tuning the molar fraction of the 1,3-butanediol (BDO) cosolvent with notable glass-forming ability. BDO enhances the tetrahedral entropy due to the disruption of the hydrogen-bond networks among water molecules, decreasing the solid-liquid transition temperature from -16.4 to -101 °C. Additionally, BDO modifies the solvated structure of Zn2⁺ to limit the active water content, thus suppressing by-reactions at the electrode/electrolyte interface. The optimized electrolyte enables long-term cycling of Zn||Zn symmetric cells for over 4000 h at -40 °C under 0.1 mA cm-2/0.1 mAh cm-2, and renders PANI||Zn full cells capable of working across a broad temperature range (-40 °C to 60 °C). This work offers a guideline to design stable and low-temperature AZIBs, expanding the application scope for aqueous electrolytes.
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