Realizing wide-temperature Zn metal anodes through concurrent interface stability regulation and solvation structure modulation

溶剂化 电解质 材料科学 溶剂 化学工程 金属 低聚物 溶解 水溶液 热稳定性 乙二醇 阳极 电极 无机化学 化学 高分子化学 有机化学 物理化学 冶金 工程类
作者
Zhen Hou,Ziheng Lu,Qianwen Chen,Biao Zhang
出处
期刊:Energy Storage Materials [Elsevier BV]
卷期号:42: 517-525 被引量:95
标识
DOI:10.1016/j.ensm.2021.08.011
摘要

Stable cycling of Zn metal anodes under thermal extremes remains a grand challenge with the corresponding failure mechanisms largely unexplored. Here, we unravel the origin of thermal instability during Zn plating/stripping. The low temperature renders deteriorative dendrites growth, while a high temperature causes aggravating parasitic reactions. Zn metal/electrolyte interface and electrolyte solvation chemistry are then regulated via the introduction of oligomer poly(ethylene glycol) dimethyl ether as a competitive-solvent into the aqueous electrolyte to circumvent these issues. Complementary experimental and theoretical studies demonstrate that the competitive-solvent shifts water-occupied interface into oligomer one through preferential Zn surface adsorption, enabling dendrite-free Zn morphologies. Furthermore, such solvent alters the electrolyte interaction by re-constructing oligomer/water hydrogen bonds and participating in the solvation sheath of Zn ions, which highly alleviates parasitic reactions. Consequently, Zn metal anodes deliver more than 1600 h Zn cyclic lifetime at all the tested temperatures of 0, 25 and 50 °C, over 10-fold enhancement than in pristine electrolytes. Application-wise, competitive-solvent suppresses the fast cathode dissolution because of highly reduced water activities and realizes the stable Zn/V2O5 full cells over a wide temperature range from -15 to 65 °C.
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