Synergetic Effect of Multicomponent Phosphate and Rich Grain‐Boundary in Solid/Electrolyte Interphase Boosts Rapid Ion Transport Toward Fast Aqueous Zinc Metal Batteries

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作者
Ke Ye,Tian Qiu,Jinsong Wan,Jianping Chen,Jinlei Zhang,Shangyu Liu,Fanghua Ning,Yi Jin,Zhuanpei Wang,Zhenghui Pan,Xiaowei Yang
出处
期刊:Advanced Energy Materials [Wiley]
卷期号:15 (34) 被引量:13
标识
DOI:10.1002/aenm.202502125
摘要

Abstract The development of fast‐charging aqueous zinc (Zn) metal batteries is crucial for large‐scale energy storage applications. However, in pursuit of fast‐charging capability under a high current density (>10 mA cm −2 ), the intensified Zn 2+ flux imbalance at the electrolyte/anode interphase will cause more uncontrolled dendrite growth. Herein, with experimental and simulation results, a theoretical formulation is proposed to reveal a current density‐dependent failure mechanism that elucidates how space‐charge‐induced Zn 2+ accumulation triggers cascading dendrite formation. To mitigate this kinetic mismatch, a fast‐ion‐conducting solid/electrolyte interphase (SEI) model system with multicomponent phosphate and rich grain‐boundary is established, by which the Zn 2+ transference number increases from 0.25 to 0.82 and the migration energy barrier at the interphase decreases from 3.80 to 1.35 eV. Consequently, this designed interfacial remodeling enables Zn||Zn cells to exhibit ultrahigh‐rate capability and extended durability (achieving 13 000 cycles at 40 mA cm −2 and 4000 h at 0.5 mA cm −2 ). More significantly, full cells retain 86% capacity after 2000 cycles at 2 A g −1 , while industrial‐scale 4 × 6 cm 2 pouch cells maintain 90.3% capacity over 100 cycles. Collectively, these findings establish a universal interfacial design principle for high‐power aqueous metal batteries by correlating grain‐boundary ion dynamics with effective dendrite suppression.
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