Tuning the Solvation Structure in Aqueous Zinc Batteries to Maximize Zn-Ion Intercalation and Optimize Dendrite-Free Zinc Plating

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作者
Chang Li,Ryan Kingsbury,Laidong Zhou,Abhinandan Shyamsunder,Kristin A. Persson,Linda F. Nazar
出处
期刊:ACS energy letters [American Chemical Society]
卷期号:7 (1): 533-540 被引量:145
标识
DOI:10.1021/acsenergylett.1c02514
摘要

Aqueous zinc batteries are recognized to suffer from H<sup>+</sup>/Zn<sup>2+</sup> coinsertion in the cathode, but few approaches have been reported to suppress deleterious H<sup>+</sup> intercalation. We realize this goal by tuning the solvation structure, using LiV<sub>2</sub>(PO<sub>4</sub>)<sub>3</sub> (LVP) as a model cathode. Phase conversion of LVP induced by H<sup>+</sup> intercalation is observed in 4 m Zn(OTf)<sub>2</sub>, whereas dominant Zn<sup>2+</sup> insertion is confirmed in a ZnCl<sub>2</sub> water-in-salt electrolyte (WiSE). This disparity is ascribed to the complete absence of free water and a strong Zn<sup>2+</sup>–H<sub>2</sub>O interaction in the latter that interrupts the H<sub>2</sub>O hydrogen bonding network, thus suppressing H<sup>+</sup> intercalation. On the basis of this strategy, a novel PEG-based hybrid electrolyte is designed to replace the corrosive ZnCl2 WiSE. This system exhibits an optimized Zn<sup>2+</sup> solvation sheath with a similar low free water content, showing not only much better suppression of H<sup>+</sup> intercalation but also highly reversible Zn plating/stripping with a CE of ~99.7% over 150 cycles.
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