Unveiling the Failure Mechanism of Zn Anodes in Zinc Trifluorosulfonate Electrolyte: The Role of Micelle-like Structures

化学 胶束 电解质 机制(生物学) 阳极 无机化学 电极 有机化学 物理化学 水溶液 哲学 认识论
作者
Xin Shi,Jianning Zeng,Ang Yi,Fuxin Wang,Xiaoqing Liu,Xihong Lu
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
卷期号:146 (29): 20508-20517 被引量:66
标识
DOI:10.1021/jacs.4c07015
摘要

Zinc trifluorosulfonate [Zn(OTf)2] is considered as the most suitable zinc salt for aqueous Zn-ion batteries (AZIBs) but cannot support the long-term cycling of the Zn anode. Here, we reveal the micelle-like structure of the Zn(OTf)2 electrolyte and reunderstand the failing mechanism of the Zn anode. Since the solvated Zn2+ possesses a positive charge, it can spontaneously attract OTf- with the hydrophilic group of -SO3 and the hydrophobic group of -CF3 via electrostatic interaction and form a "micelle-like" structure, which is responsible for the poor desolvation kinetics and dendrite growth. To address these issues, an antimicelle-like structure is designed by using ethylene glycol monomethyl ether (EGME) as a cosolvent for highly reversible AZIBs. The modified electrolyte shows lower dissociation ability to Zn(OTf)2 and higher coordination tendency with Zn2+ compared to the Zn(OTf)2 electrolyte, resulting in the unique solvation structure of Zn2+(H2O)1.2(OTf-)2(EGME)2.8, which significantly reduces the charge of micelle, damages the micelle-like structure, and boosts the desolvation kinetics. Moreover, the reduction of EGME and OTf- can form a robust dual-layered SEI with high Zn2+ ion conductivity. Consequently, the Zn/Cu asymmetric coin cell using ZT-EGME can work at a high rate and a capacity of 50 mA cm-2 and 5 mA h cm-2 for more than 120 cycles, while its counterparts using ZT can barely work. Moreover, a 505.1 mA h pouch cell with practical parameters including a lean electrolyte supply of 15 mL A h-1 and an N/P ratio of ∼3.5 can work for 50 cycles.
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