Interfacial H‐bond Network/Concentration Fields/Electric Fields Regulation Achieved by D‐Valine Anions Realizes the Highly Efficient Aqueous Zinc Ion Batteries

离子 阳极 水溶液 化学物理 质子 化学 电场 分子动力学 氢键 空间电荷 化学工程 材料科学 分子 计算化学 物理化学 有机化学 电极 物理 量子力学 工程类 电子
作者
Jiadong Lin,Chenchen Ji,Gaozhi Guo,Yulu Luo,Pengru Huang,Lixian Sun,Fen Xu,Wilhelm Pfleging,Kostya S. Novoselov
出处
期刊:Angewandte Chemie [Wiley]
标识
DOI:10.1002/anie.202501721
摘要

Uncontrolled mobile anions and proton transport result in many issues, including interfacial anion depletion, irregular multi‐physics fields fluctuations, space charge layer‐induced interfacial Zn dendrites, and hydrogen evolution reaction (HER), which seriously exacerbates the cycling stability of zinc‐ion batteries. Herein, this work constructs an efficient D‐valine anion interface structure to reversely regulate the Zn2+/H+ dynamic chemistry and unlocks the multiple regulation effects of this anionic interface by investigating interfacial proton transport and complex concentration/electric fields distribution of Zn anode through dynamic in‐situ spectroscopy analysis, static energy calculations, and molecular dynamics simulation. We unravel core factors affecting complicated interfacial HER processes and the generation of the space charge layer. This anionic interfacial layer severs proton hopping transport by rupturing the initial water‐water hydrogen bond, which effectively restrains uncontrolled HER processes. Further, the anion‐immobilized interfacial layer accelerates Zn2+ transfer to optimize the interfacial concentration fields. Also, the anionic interface restrains the formation of the anion depletion layer by relieving rapid Zn2+ ions exhaustion and strengthening the uniformity of interfacial electrical field distribution, which suppresses space charges‐induced Zn dendrite growth. Consequently, Zn||Zn symmetric cells deliver an ultra‐long cycle life of 4150 h. Importantly, the multiple regulation effects enable Zn||I2 cells exhibit long‐term stable life.
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