Boosting the Kinetics and Stability of Zn Anodes in Aqueous Electrolytes with Supramolecular Cyclodextrin Additives

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作者
Kang Zhao,Guilan Fan,Jiuding Liu,Fangming Liu,Jinhan Li,Xunzhu Zhou,Youxuan Ni,Meng Yu,Ying‐Ming Zhang,Hui Su,Qinghua Liu,Fangyi Cheng
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
卷期号:144 (25): 11129-11137 被引量:294
标识
DOI:10.1021/jacs.2c00551
摘要

The hydrophobic internal cavity and hydrophilic external surface of cyclodextrins (CDs) render promising electrochemical applications. Here, we report a comparative and mechanistic study on the use of CD molecules (α-, β-, and γ-CD) as electrolyte additives for rechargeable Zn batteries. The addition of α-CD in aqueous ZnSO4 solution reduces nucleation overpotential and activation energy of Zn plating and suppresses H2 generation. Computational, spectroscopic, and electrochemical studies reveal that α-CD preferentially adsorbs in parallel on the Zn surface via secondary hydroxyl groups, suppressing water-induced side reactions of hydrogen evolution and hydroxide sulfate formation. Additionally, the hydrophilic exterior surface of α-CD with intense electron density simultaneously facilitates Zn2+ deposition and alleviates Zn dendrite formation. A formulated 3 M ZnSO4 + 10 mM α-CD electrolyte enables homogenous Zn plating/stripping (average Coulombic efficiency ∼ 99.90%) at 1 mA cm-2 in Zn|Cu cells and a considerable capacity retention of 84.20% after 800 cycles in Zn|V2O5 full batteries. This study provides insight into the use of supramolecular macrocycles to modulate and enhance the interface stability and kinetics of metallic anodes for aqueous battery chemistry.
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