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In Situ Construction of Protective Films on Zn Metal Anodes via Natural Protein Additives Enabling High-Performance Zinc Ion Batteries

电解质 阳极 材料科学 分子 水溶液 无机化学 化学工程 金属 溶剂化 化学 电极 有机化学 冶金 物理化学 工程类
作者
Jing Xu,Wenli Lv,Yang Wang,Yang Jin,Qianzheng Jin,Bin Sun,Zili Zhang,Tianyi Wang,Linfeng Zheng,Xiaolong Shi,Bing Sun,Guoxiu Wang
出处
期刊:ACS Nano [American Chemical Society]
卷期号:16 (7): 11392-11404 被引量:207
标识
DOI:10.1021/acsnano.2c05285
摘要

The strong activity of water molecules causes a series of parasitic side reactions on Zn anodes in the aqueous electrolytes. Herein, we introduce silk fibroin (SF) as a multifunctional electrolyte additive for aqueous zinc-ion (Zn-ion) batteries. The secondary structure transformation of SF molecules from α-helices to random coils in the aqueous electrolytes allows them to break the hydrogen bond network among free water molecules and participate in Zn2+ ion solvation structure. The SF molecules released from the [Zn(H2O)4(SF)]2+ solvation sheath appear to be gradually adsorbed on the surface of Zn anodes and in situ form a hydrostable and self-healable protective film. This SF-based protective film not only shows strong Zn2+ ion affinity to promote homogeneous Zn deposition but also has good insulating behavior to suppress parasitic reactions. Benefiting from these multifunctional advantages, the cycle life of the Zn||Zn symmetric cells reaches over 1600 h in SF-containing ZnSO4 electrolytes. In addition, by adopting a potassium vanadate cathode, the full cell shows excellent cycling stability for 1000 cycles at 3 A g–1. The in situ construction of a protective film on the Zn anode from natural protein molecules provides an effective strategy to achieve high-performance Zn metal anodes for Zn-ion batteries.
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