Zwitterionic Polymer Gradient Interphases for Reversible Zinc Electrochemistry in Aqueous Alkaline Electrolytes

化学 钝化 水溶液 电化学 电解质 阳极 无机化学 化学工程 聚合物 聚合 氢氧化物 氢氧化锌 电极 有机化学 物理化学 工程类 图层(电子)
作者
Shuo Jin,Pengyu Chen,Yufeng Qiu,Zheyuan Zhang,Shifeng Hong,Yong Lak Joo,Rong Yang,Lynden A. Archer
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
卷期号:144 (42): 19344-19352 被引量:37
标识
DOI:10.1021/jacs.2c06757
摘要

Aqueous alkaline zinc batteries are of scientific and technological interest because of the potential they offer for cost-effective and safe storage of electrical energy. Poor electrochemical reversibility and shape change of the Zn anode, propensity of Zn to become passivated by surface oxides and hydroxide films upon prolonged exposure to the electrolyte, and electroreduction of water are well-studied but remain unsolved challenges. Here, we create and study electrochemical and transport properties of precise, spatially tunable zwitterionic polymer interphases grown directly on Zn using an initiated-chemical vapor deposition polymerization methodology. In aqueous alkaline media, spatial gradients in composition─from the polymer-electrolyte interface to the solid-polymer interface─promote highly reversible redox reactions at high current density (20 mA cm-2) and high areal capacity (10 mAh cm-2). Via molecular dynamics and experimental analyses, we conclude that the interphases function by regulating the distribution and activity of interfacial water molecules, which simultaneously enables fast ion transport and suppression of surface passivation and the hydrogen evolution reaction. To illustrate the practical relevance of our findings, we study aqueous Zn||NiOOH and Zn||air batteries and observe that zwitterionic polymer interphases produce extended life at high currents and high areal capacity.
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