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Carbonate Ester-Based Electrolyte Enabling Rechargeable Zn Battery to Achieve High Voltage and High Zn Utilization
Journal of the American Chemical Society ( IF 14.4 ) Pub Date : 2024-03-21 , DOI: 10.1021/jacs.4c02150
Kang Zhou 1 , Gaopan Liu 1 , Xiaomeng Yu 1 , Zhi Li 1 , Yonggang Wang 1
Journal of the American Chemical Society ( IF 14.4 ) Pub Date : 2024-03-21 , DOI: 10.1021/jacs.4c02150
Kang Zhou 1 , Gaopan Liu 1 , Xiaomeng Yu 1 , Zhi Li 1 , Yonggang Wang 1
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Owing to the high H2O activity, the aqueous electrolyte in the Zn battery exhibits a narrow electrochemical window and inevitable hydrogen evolution reaction, limiting the anode utilization ratio and performance at high voltage. Carbonate ester, the well-developed electrolyte solvent in Li-ion batteries, exhibits aprotic properties and high anodic stability. However, its use in Zn metal batteries is limited due to the low solubility of Zn salts in carbonate esters. Herein, we propose a carbonate ester-based electrolyte (EC:DMC:EMC = 1:1:1 wt %), which contains a new Zn salt (Zn(BHFip)2) characterized by low cost, easy synthesis, and excellent aprotic solvent solubility. The BHFip– anion assists in forming Zn2+ conductive SEI on the anode and decomposes at high voltage to generate a protective CEI layer on the cathode. The Zn//Zn symmetric cell using such electrolyte achieves a remarkable Zn utilization ratio of 91% for 125 h, which has rarely been reported before. Furthermore, the Zn//LiMn2O4 full cell with an average operation voltage of 1.7 V demonstrates reliable cycling for 135 cycles with an N/P ratio of 1:1. In addition, the Zn//LiNi0.5Mn1.5O4 full cell exhibits a high discharge median voltage exceeding 2.2 V for 280 cycles, with the high voltage plateau (above 2 V) constituting 82% of the total capacity.
中文翻译：
碳酸酯基电解质使可充电锌电池实现高电压和高锌利用率
由于H 2 O活性较高，锌电池中的水系电解质表现出狭窄的电化学窗口和不可避免的析氢反应，限制了阳极利用率和高电压下的性能。碳酸酯是锂离子电池中成熟的电解质溶剂，具有非质子传递特性和高阳极稳定性。然而，由于锌盐在碳酸酯中的溶解度较低，其在锌金属电池中的应用受到限制。在此，我们提出了一种基于碳酸酯的电解质（EC:DMC:EMC = 1:1:1 wt%），其中含有一种新型锌盐（Zn(BHFip) 2 ），具有成本低、易于合成和优异的非质子传递特性。溶剂溶解度。 BHFip –阴离子有助于在阳极上形成 Zn 2+导电 SEI，并在高电压下分解，在阴极上生成保护性 CEI 层。使用该电解质的Zn//Zn对称电池在125小时内实现了高达91%的锌利用率，这在之前很少有报道。此外，平均工作电压为1.7 V的Zn//LiMn 2 O 4全电池在N/P比为1:1的情况下展示了135个循环的可靠循环。此外，Zn//LiNi 0.5 Mn 1.5 O 4全电池在280次循环中表现出超过2.2 V的高放电中值电压，其中高电压平台（高于2 V）占总容量的82%。
更新日期：2024-03-21
中文翻译：
碳酸酯基电解质使可充电锌电池实现高电压和高锌利用率
由于H 2 O活性较高，锌电池中的水系电解质表现出狭窄的电化学窗口和不可避免的析氢反应，限制了阳极利用率和高电压下的性能。碳酸酯是锂离子电池中成熟的电解质溶剂，具有非质子传递特性和高阳极稳定性。然而，由于锌盐在碳酸酯中的溶解度较低，其在锌金属电池中的应用受到限制。在此，我们提出了一种基于碳酸酯的电解质（EC:DMC:EMC = 1:1:1 wt%），其中含有一种新型锌盐（Zn(BHFip) 2 ），具有成本低、易于合成和优异的非质子传递特性。溶剂溶解度。 BHFip –阴离子有助于在阳极上形成 Zn 2+导电 SEI，并在高电压下分解，在阴极上生成保护性 CEI 层。使用该电解质的Zn//Zn对称电池在125小时内实现了高达91%的锌利用率，这在之前很少有报道。此外，平均工作电压为1.7 V的Zn//LiMn 2 O 4全电池在N/P比为1:1的情况下展示了135个循环的可靠循环。此外，Zn//LiNi 0.5 Mn 1.5 O 4全电池在280次循环中表现出超过2.2 V的高放电中值电压，其中高电压平台（高于2 V）占总容量的82%。
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