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Synergistic Ion Sieve and Solvation Regulation by Recyclable Clay-Based Electrolyte Membrane for Stable Zn-Iodine Battery

电解质 法拉第效率 化学工程 阳极 吸附 溶解 溶剂化 材料科学 无机化学 电池(电) 化学 离子 电极 有机化学 物理化学 工程类 功率(物理) 物理 量子力学
作者
Hai Xu,Ruanye Zhang,Derong Luo,Jiuqing Wang,Hui Dou,Xiaogang Zhang,Gengzhi Sun
出处
期刊:ACS Nano [American Chemical Society]
卷期号:17 (24): 25291-25300 被引量:18
标识
DOI:10.1021/acsnano.3c08681
摘要

The high dissolution of polyiodides and unstable interface at the anode/electrolyte severely restrict the practical applications of rechargeable aqueous Zn-iodine batteries. Herein, we develop a zinc ion-based montmorillonite (ZMT) electrolyte membrane for synergizing ion sieve and solvation regulation to achieve highly stable Zn-iodine batteries. The rich M-O band and special cation-selective transport channel in ZMT locally tailor the solvation sheath around Zn2+ and therefore achieve high transference number (t+ = 0.72), benefiting for uniform and reversible deposition/stripping of Zn. Meanwhile, the mechanisms for three-step polyiodide generation and shuttle-induced Zn corrosion are highlighted by in situ characterization techniques. It is confirmed that the strong chemical adsorption between O atoms in ZMT and polyiodides species is the key to effectively inhibit the shuffle effect and side reactions. Consequently, the ZMT-based Zn-iodine battery delivers a high capacity of 0.45 mAh cm-2 at 1 mA cm-2 with a much improved Coulombic efficiency of 99.5% and outstanding capacity retention of 95% after 13 500 cycles at 10 mA cm-2. Moreover, owing to its high durability and chemical inertness and structural stability, ZMT-based electrolyte membranes can be recycled and applied in double-sided pouch cells, delivering a high areal capacity of 2.4 mAh cm-2 at 1 mA cm-2.
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