Tandem Chemistry with Janus Mesopores Accelerator for Efficient Aqueous Batteries

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作者
Lipeng Wang,Bao Zhang,Wanhai Zhou,Zaiwang Zhao,Xin Liu,Ruizheng Zhao,Zhihao Sun,Hongpeng Li,Xia Wang,Tengsheng Zhang,Hongrun Jin,Wei Li,Ahmed A. Elzatahry,Yasser A. Hassan,Hong Jin Fan,Dongyuan Zhao,Dongliang Chao
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
卷期号:146 (9): 6199-6208 被引量:205
标识
DOI:10.1021/jacs.3c14019
摘要

A reliable solid electrolyte interphase (SEI) on the metallic Zn anode is imperative for stable Zn-based aqueous batteries. However, the incompatible Zn-ion reduction processes, scilicet simultaneous adsorption (capture) and desolvation (repulsion) of Zn2+(H2O)6, raise kinetics and stability challenges for the design of SEI. Here, we demonstrate a tandem chemistry strategy to decouple and accelerate the concurrent adsorption and desolvation processes of the Zn2+ cluster at the inner Helmholtz layer. An electrochemically assembled perforative mesopore SiO2 interphase with tandem hydrophilic −OH and hydrophobic −F groups serves as a Janus mesopores accelerator to boost a fast and stable Zn2+ reduction reaction. Combining in situ electrochemical digital holography, molecular dynamics simulations, and spectroscopic characterizations reveals that −OH groups capture Zn2+ clusters from the bulk electrolyte and then −F groups repulse coordinated H2O molecules in the solvation shell to achieve the tandem ion reduction process. The resultant symmetric batteries exhibit reversible cycles over 8000 and 2000 h under high current densities of 4 and 10 mA cm–2, respectively. The feasibility of the tandem chemistry is further evidenced in both Zn//VO2 and Zn//I2 batteries, and it might be universal to other aqueous metal-ion batteries.
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