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Low-cost, high-voltage and durable aqueous zinc-chlorine battery enabled by condensed choline chloride electrolytes

电解质 电池(电) 电化学 无机化学 水溶液 阴极 电化学窗口 化学 化学工程 材料科学 电极 有机化学 离子电导率 工程类 功率(物理) 物理 物理化学 量子力学
作者
Jiarui Zhang,Mengyu Shi,Xiao Ren,Chaoxin Wu,Subao Hu,Jiale Feng,Guojie Li,Chengxin Peng
出处
期刊:Journal of energy storage [Elsevier]
卷期号:88: 111604-111604 被引量:2
标识
DOI:10.1016/j.est.2024.111604
摘要

Aqueous zinc‑chlorine batteries are emerging as promising candidates for large-scale energy storage due to their high energy density, safety, environmentally friendliness and low cost. However, one of the primary issues for zinc‑chlorine batteries is the narrow electrochemical stability window (∼1.23 V) of the aqueous electrolyte, which restricts the energy density and the operating output voltage of the batteries. Additionally, the redox reaction of chlorine ions cannot occur at high potential, which hinders the utilization of chlorine ions and affects the cycling performance of the battery. Herein, we propose a high-concentration electrolyte strategy to design a green, safe, and inexpensive 30 m choline chloride (ChCl) aqueous electrolyte for zinc battery, which exhibits an expanded electrochemical stability window of ca. 3.2 V. The zinc‑chlorine battery using zinc metal anode, carbonaceous cathode material (graphene (G), activated carbon (Ac), and nitrogen-doped activated carbon (NAc)), and 30 m ChCl electrolyte exhibits excellent electrochemical properties. Especially, nitrogen-doped activated carbon cathode delivers an average discharge voltage of ca. 2.2 V and a specific capacity of 112.8 mAh g−1 at a current density of 1.0 A g−1 and retains a stable cycling performance over 3700 cycles. In addition, the reversible chloride storage of the zinc‑chlorine battery is investigated by X-ray photoelectron spectroscopy, infrared spectroscopy, and X-ray diffraction measurements, which indicate a reversible insertion of Cl− in the NAc interlayer guarantee the impressive capacity and stable cycling life of the battery.
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