Cation‐in‐Mesopore Complex for 20 Ah‐Level Aqueous Battery

介孔材料 阳极 水溶液 电化学 材料科学 分子 电池(电) 枝晶(数学) 化学工程 化学 电极 物理化学 有机化学 物理 催化作用 功率(物理) 量子力学 几何学 数学 工程类
作者
Lipeng Wang,Bao Zhang,Wanhai Zhou,Hongpeng Li,Haobo Dong,Hongrun Jin,Zefang Yang,Wei Li,Zaiwang Zhao,Dongyuan Zhao,Dongliang Chao
出处
期刊:Angewandte Chemie [Wiley]
标识
DOI:10.1002/anie.202501010
摘要

Metallic Zn-based aqueous batteries (ZABs) have arisen as one of the most promising safe energy storage solutions, yet practical development, especially for the Ah-level ZABs, is severely plagued by unmanageable side reactions and notorious dendrite proliferation. Here, we propose a cation-in-mesopore (CiM) complex chemistry by confining Zn2+ within single-mesopore cavities to construct a novel paradigm of 20 Ah-level ZABs. Molecule dynamic and X-ray absorption near-edge structure analyses reveal that the single-mesopore SiO2 (smSiO2) traps Zn2+, replacing H2O molecules in the primary sheath and forming Zn2+-smSiO2 complexes. In-situ electrochemical digital holography, in-situ interface Fourier-transform infrared spectroscopy, and H-bonds density analyses clearly confirm that Zn2+-smSiO2 complexes migrate and adhere onto the metallic Zn, facilitating the formation of mesopore weak H-bonds interface by disrupting the aggregation of solvated H2O. Consequently, the Zn anode operates over 800 h under 55% depth of discharge, effectively suppressing H2O degradation and dendrite growth. The Zn//VO2 pouch battery demonstrates capacities of 20.5 Ah at 0.2 A g-1 and 8.59 Ah at 1 A g-1, and energy density of 65 Wh kg-1 and 96 Wh L-1. The proposed cation-in-mesopore complex chemistry may mark a substantial step forward towards more sustainable and reliable ZABs.
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