How Solvation Energetics Dampen the Hydrogen Evolution Reaction to Maximize Zinc Anode Stability

能量学 材料科学 溶剂化 阳极 化学物理 纳米技术 热力学 物理化学 离子 冶金 化学 电极 物理 有机化学
作者
Kingshuk Roy,Ashutosh Rana,Tushar K. Ghosh,Joseph N. Heil,Sayan Roy,Kathryn J. Vannoy,Brian M. Tackett,Ming Chen,Jeffrey E. Dick
出处
期刊:Advanced Energy Materials [Wiley]
被引量:9
标识
DOI:10.1002/aenm.202303998
摘要

Abstract Aqueous zinc metal batteries (AZMB) are emerging as a promising alternative to the prevailing existing Lithium‐ion battery technology. However, the development of AZMBs is hindered due to challenges including dendrite formation, hydrogen evolution reaction (HER), and ZnO passivation on the anode. Here, a tetraalkylsulfonamide (TAS) additive for suppressing HER, dendrite formation, and enhancing cyclability is rationally designed. Only 1 m m TAS is found that can effectively displace water molecules from the Zn 2+ solvation shell, thereby altering the solvation matrix of Zn 2+ and disrupting the hydrogen bond network of free water, as demonstrated through 67 Zn and 1 H nuclear magnetic resonance spectroscopy, high‐resolution mass spectrometry (HRMS), and density functional theory (DFT) studies. Voltammetry synchronized with in situ monitoring of the electrode surface reveals suppressed dendritic growth and HER in the presence of TAS. Electrochemical mass spectrometry (ECMS) captures real‐time HER suppression during Zn electrodeposition, revealing the ability of TAS to suppress the HER by an order of magnitude. A ≈25‐fold cycle life improvement from ≈100 h to over 2500 h in coin cells cycled in the presence of TAS. Furthermore, by suppressing passivation product formation, it is demonstrated that strategy robustly maximizes the stability of Zn metal anodes.
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