A Study on Metal Interfacial Stabilization Using Inorganic-Polymer Composite Protective Layer for Aqueous Zinc Ion Battery

Abstract

수계 아연 이온 전지(ZIB)는 여러 장점을 제공하는 유망한 전지 시스템입니다. 그러나 ZIB는 아연 덴드라이트 형성과 자유 물분자와의 부반응으로 인해 아연 금속 음극의 지속성이 낮은 한계가 있습니다. 이는 성능 저하와 단락을 초래하며, 따라서 본 연구에서는 복합 보호층(CPL)을 활용한 메탈 계면 제어 방법을 조사했습니다. α-사이클로덱스트린 기반 금속-유기 골조체(α-CD-MOF-K)와 PVDF-HFP를 사용하여 수소화 아연 이온 전지에 소수성 무기물-고분자 복합 코팅층을 도입했습니다. 육각형의 판상 구조를 지닌 α-CD-MOF-K와 PVDF-HFP는 밀도 높고 균일한 Zn2+ 이온 전도성 채널을 형성하여 Zn2+ 이온의 수직 이동을 허용하면서도 물 분자의 이동을 억제합니다. 균일한 아연 이온의 흡탈착 과정이 가능하며, 안정적인 음극-전해질 계면층을 형성하여 자유 물분자와의 부반응을 성공적으로 억제합니다. αCDMOFK-CPL@Zn 대칭 전지는 10 mA cm–2에서 약 100 mV의 낮은 과전압을 나타냈습니다. 또한 α-CD-MOF-K-CPL@Zn|α-MnO2 전지는 0.1 A g–1에서 100시간 동안 용량의 99.4%를 유지하는 성능을 보였습니다. 이와 같이, MOF와 고분자 바인더의 조합을 통하여 CPL을 구성하는 방안은 ZIB에서 아연 음극의 지속성을 향상시킬 수 있는 최적의 가능성을 제시합니다.;Aqueous zinc-ion batteries (ZIBs) are promising battery systems providing a number of advantages. However, ZIBs encounter obstacles caused by the formation of Zn dendrites and side reactions. These issues lead to a decline in performance and short-circuits. To address these challenges, a composite protective layer (CPL) were investigated in this work. A hydrophobic supramolecular metal-organic framework (SMOF) coating layer was introduced into ZIBs using α-cyclodextrin-based MOF (α-CD-MOF-K) and PVDF-HFP. The PVDF-HFP was chosen for the reason that it would have greater ionic conductivity and binding affinity with Zr-MOF and Zn metal anode than a PVDF homopolymer binder. And this aspect will lead in lower overpotential and increased cyclability. The hexagonal flat α-CD-MOF-K and PVDF-HFP combined to form dense and homogeneous Zn2+ ion conductive pore channels that permitted vertical transit of Zn2+ ions while inhibiting water molecules. The homogeneous deposition and dissolution allowed the creation of a regular solid-electrolyte interface layer, successfully inhibiting side reactions with free water molecules. The α-CD-MOF-K-CPL@Zn symmetric cell exhibited a low polarization voltage of about 100 mV at 10 mA cm–2. And the α-CD-MOF-K-CPL@Zn|α-MnO2 full cell maintained 99.4% capacity after 100 h at 0.1 A g–1, indicating that the SMOF coating layer has the potential to improve the performance and cyclability of ZIBs.