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In Situ Growth of an Ultrathin Polymer Brush Layer Enables a Reversible Zinc Anode

阳极 法拉第效率 材料科学 电解质 水溶液 化学工程 电偶阳极 电化学 阴极 电极 纳米技术 化学 有机化学 冶金 阴极保护 工程类 物理化学
作者
Shuangshuang Hao,Xinren Zhang,Yongwei Pei,Hao Xiong,Qian Ye,Fei Xu,Feng Zhou
出处
期刊:ACS Sustainable Chemistry & Engineering [American Chemical Society]
卷期号:11 (48): 17006-17014 被引量:8
标识
DOI:10.1021/acssuschemeng.3c04861
摘要

Aqueous zinc-ion-based devices exhibit an attractive prospect in large-scale energy storage due to their safe, environmentally friendly, and low-cost characteristics. Nevertheless, the Zn metal anode suffers critically from severe parasitic reactions and Zn dendrites, mainly as a result of the lack of stable interphase layers. Herein, we propose the in situ grafting of an ultrathin molecular brush (≈10 nm thickness) as an artificial solid electrolyte interphase (SEI) for a highly reversible dendrite-free Zn anode by a surface-grafting strategy. The dense sulfonate functional groups of the poly[[2-(methacryloyloxy)ethyl]dimethyl-(3-sulfopropyl)] (PSBMA) SEI layer simultaneously inhibit the penetration of SO42–, avoiding the occurrence of side reactions. Meanwhile, the PSBMA layer allows a uniform Zn-ion concentration field and fast Zn2+ migration kinetics, leading to a dendrite-free Zn anode. Therefore, the half cell using the PSBMA-modified Zn anode achieves a high average Coulombic efficiency of 99.80% over 1000 cycles at 5 mA cm–2. In symmetrical cells, the PSBMA-modified Zn anode exhibits an ultralong lifespan of over 3300 h, far exceeding that of the bare Zn anode (120 h). As proof-of-concept demonstration, the full cells with MnO2 and activated carbon cathodes deliver a superior capacity retention ratio. Our findings show that the construction of in situ SEI layers has promising applications in high-performance aqueous battery technology.
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