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Reconstruction of Helmholtz Plane to Stabilize Zinc Metal Anode/Electrolyte Interface

电解质 阳极 接口(物质) 材料科学 平面(几何) 金属 亥姆霍兹自由能 电偶阳极 复合材料 冶金 阴极保护 化学 物理 热力学 电极 几何学 数学 物理化学 毛细管作用 毛细管数
作者
Shangqing Jiao,Jimin Fu,Qifang Ying,Haimin Yao,Haibo Hu
出处
期刊:Social Science Research Network [Social Science Electronic Publishing]
被引量:2
标识
DOI:10.2139/ssrn.4363505
摘要

Dendrites proliferation and parasitic side reactions on zinc metal anodes (ZMAs) severely weaken the energy efficiencies of aqueous zinc metal batteries (AZMBs). Herein, an effective Helmholtz plane (HP) reconstruction mechanism on ZMAs in ZnSO4 electrolyte activated by zinc pyrrolidone carboxylate (PCA-Zn) additive is proposed. Systematical experiments together with numerical simulations identified that the dissociated PCA− anions featuring bis-zincophilic-terminal preferentially adhere to the ZMAs surface with carboxyls serving as anchors to replace H2O and SO42−, reshaping an H2O/SO42−-repellent HP to restrain water-triggered side reactions. Meanwhile, the other free zincophilic carbonyl terminals of PCA− anions endow the restructured HP with spatial confinement effect on Zn2+, effectively suppressing their rampant in-plane diffusion and homogenizing ions flux during Zn deposition. Moreover, the HP exhibits a self-repair behavior against unexpected electrode surface damage upon cycling. Benefiting from the multifunctional HP that enables more stable ZMAs/electrolyte interphasial chemistry, an excellent Zn||Zn symmetric electroplating/stripping cyclic durability exceeding 480 h under a depth of discharge up to 20% (10 mA cm−2/10 mAh cm−2) is achieved, accounting for significantly boosted rechargeability (89.7% capacity holding ratio after 5000 cycles) of the carbon-cloth@polyaniline||ZMA full AZMBs compared to that without PCA-Zn additive (malfunction after only 960 cycles).
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