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Aqueous Electrolytes with Hydrophobic Organic Cosolvents for Stabilizing Zinc Metal Anodes

电解质 水溶液 吸附 金属 无机化学 阳极 化学 金属有机骨架 材料科学 电极 有机化学 物理化学
作者
Licheng Miao,Renheng Wang,Shengli Di,Zhengfang Qian,Lei Zhang,Wenli Xin,Mengyu Liu,Zhiqiang Zhu,Shengqi Chu,Yi Du,Ning Zhang
出处
期刊:ACS Nano [American Chemical Society]
卷期号:16 (6): 9667-9678 被引量:271
标识
DOI:10.1021/acsnano.2c02996
摘要

Rechargeable aqueous zinc (Zn) batteries are promising for large-energy storage because of their low cost, high safety, and environmental compatibility, but their implementation is hindered by the severe irreversibility of Zn metal anodes as exemplified by water-induced side reactions (H2 evolution and Zn corrosion) and dendrite growth. Here, we find that the introduction of a hydrophobic carbonate cosolvent into a dilute aqueous electrolyte exhibits a much stronger ability to address the reversible issues facing Zn anodes than that with hydrophilic ones. Among the typical carbonates (ethylene carbonate, propylene carbonate, dimethyl carbonate, and diethyl carbonate (DEC)), DEC as the most hydrophobic additive enables the strongest breaking of water's H-bond network and replaces the solvating H2O in a Zn2+-solvation sheath, which significantly reduces the water activity and its decomposition. Additionally, DEC molecules preferentially adsorb onto the Zn surface to create an H2O-poor electrical double layer and render a dendrite-free Zn2+-plating behavior. The formulated hybrid 2 m Zn(OTf)2 + 7 m DEC electrolyte endows the Zn electrode with an ability to achieve high cycling stability (over 3500 h at 5 mA cm-2 with 2.5 mA h cm-2) and supports the stable operation of Zn||V2O5·nH2O full battery. This efficient strategy with hydrophobic cosolvent suggests a promising direction for designing aqueous battery chemistries.
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