Enhancing Zinc Electrode Stability Through Pre‐Desolvation and Accelerated Charge Transfer via a Polyimide Interface for Zinc‐Ion Batteries

聚酰亚胺 材料科学 电极 电荷(物理) 离子 接口(物质) 化学工程 纳米技术 复合材料 化学 冶金 有机化学 图层(电子) 物理化学 工程类 物理 毛细管作用 量子力学 毛细管数
作者
Chi‐Yu Lai,Yin‐Song Liao,H. C. Ku,Wen‐Yang Jao,Sanna Gull,Han‐Yi Chen,Jyh‐Pin Chou,Chi‐Chang Hu
出处
期刊:Small [Wiley]
被引量:2
标识
DOI:10.1002/smll.202401713
摘要

Abstract Aqueous zinc‐based energy storage devices possess superior safety, cost‐effectiveness, and high energy density; however, dendritic growth and side reactions on the zinc electrode curtail their widespread applications. In this study, these issues are mitigated by introducing a polyimide (PI) nanofabric interfacial layer onto the zinc substrate. Simulations reveal that the PI nanofabric promotes a pre‐desolvation process, effectively desolvating hydrated zinc ions from Zn(H 2 O) 6 2+ to Zn(H 2 O) 4 2+ before approaching the zinc surface. The exposed zinc ion in Zn(H 2 O) 4 2+ provides an accelerated charge transfer process and reduces the activation energy for zinc deposition from 40 to 21 kJ mol −1 . The PI nanofabric also acts as a protective barrier, reducing side reactions at the electrode. As a result, the PI‐Zn symmetric cell exhibits remarkable cycling stability over 1200 h, maintaining a dendrite‐free morphology and minimal byproduct formation. Moreover, the cell exhibits high stability and low voltage hysteresis even under high current densities (20 mA cm −2 , 10 mAh cm −2 ) thanks to the 3D porous structure of PI nanofabric. When integrated into full cells, the PI‐Zn||AC hybrid zinc‐ion capacitor and PI‐Zn||MnVOH@SWCNT zinc‐ion battery achieve impressive lifespans of 15000 and 600 cycles with outstanding capacitance retention. This approach paves a novel avenue for high‐performance zinc metal electrodes.
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