Wood-inspired anisotropic hydrogel electrolyte with large modulus and low tortuosity realizing durable dendrite-free zinc-ion batteries

枝晶(数学) 电解质 曲折 材料科学 各向异性 纳米技术 复合材料 化学 冶金 多孔性 电极 数学 物理 物理化学 量子力学 几何学
作者
Jizhang Chen,Minfeng Chen,Hongli Chen,Ming Yang,Xiang Han,Dingtao Ma,Peixin Zhang,Ching‐Ping Wong
出处
期刊:Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America [Proceedings of the National Academy of Sciences]
卷期号:121 (21) 被引量:43
标识
DOI:10.1073/pnas.2322944121
摘要

While aqueous zinc-ion batteries exhibit great potential, their performance is impeded by zinc dendrites. Existing literature has proposed the use of hydrogel electrolytes to ameliorate this issue. Nevertheless, the mechanical attributes of hydrogel electrolytes, particularly their modulus, are suboptimal, primarily ascribed to the substantial water content. This drawback would severely restrict the dendrite-inhibiting efficacy, especially under large mass loadings of active materials. Inspired by the structural characteristics of wood, this study endeavors to fabricate the anisotropic carboxymethyl cellulose hydrogel electrolyte through directional freezing, salting-out effect, and compression reinforcement, aiming to maximize the modulus along the direction perpendicular to the electrode surface. The heightened modulus concurrently serves to suppress the vertical deposition of the intermediate product at the cathode. Meanwhile, the oriented channels with low tortuosity enabled by the anisotropic structure are beneficial to the ionic transport between the anode and cathode. Comparative analysis with an isotropic hydrogel sample reveals a marked enhancement in both modulus and ionic conductivity in the anisotropic hydrogel. This enhancement contributes to significantly improved zinc stripping/plating reversibility and mitigated electrochemical polarization. Additionally, a durable quasi-solid-state Zn//MnO 2 battery with noteworthy volumetric energy density is realized. This study offers unique perspectives for designing hydrogel electrolytes and augmenting battery performance.
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