Investigation of a Biomass Hydrogel Electrolyte Naturally Stabilizing Cathodes for Zinc-Ion Batteries

材料科学 阴极 电解质 法拉第效率 化学工程 溶解 储能 水溶液 聚合物 电池(电) 电化学 电极 复合材料 有机化学 量子力学 物理 工程类 物理化学 功率(物理) 化学
作者
Haobo Dong,Jianwei Li,Siyu Zhao,Yiding Jiao,Jintao Chen,Yeshu Tan,Dan J. L. Brett,Guanjie He,Ivan P. Parkin
出处
期刊:ACS Applied Materials & Interfaces [American Chemical Society]
卷期号:13 (1): 745-754 被引量:78
标识
DOI:10.1021/acsami.0c20388
摘要

Aqueous zinc-ion batteries (AZIBs) have the potential to be utilized in a grid-scale energy storage system owing to their high energy density and cost-effective properties. However, the dissolution of cathode materials and the irreversible extraction of preintercalated metal ions in the electrode materials restrict the stability of AZIBs. Herein, a cathode-stabilized ZIB strategy is reported based on a natural biomass polymer sodium alginate as the electrolyte coupling with a Na+ preintercalated δ-Na0.65Mn2O4·1.31H2O cathode. The dissociated Na+ in alginate after gelation directly stabilizes the cathodes by preventing the collapse of layered structures during charge processes. The as-fabricated ZIBs deliver a high capacity of 305 mA h g–1 at 0.1 A g–1, 10% higher than the ZIBs with an aqueous electrolyte. Further, the hybrid polymer electrolyte possessed an excellent Coulombic efficiency above 99% and a capacity retention of 96% within 1000 cycles at 2 A g–1. A detailed investigation combining ex situ experiments uncovers the charge storage mechanism and the stability of assembled batteries, confirming the reversible diffusions of both Zn2+ and preintercalated Na+. A flexible device of ZIBs fabricated based on vacuum-assisted resin transfer molding possesses an outstanding performance of 160 mA h g–1 at 1 A g–1, which illustrates their potential for wearable electronics in mass production.
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