Highly Stable Aqueous Zinc Batteries Achieved by Solvation Structure Engineering

Abstract

Despite the benefits they offer, such as impressive rate performance and safety features, aqueous rechargeable zinc batteries encounter a significant obstacle in managing water-based side reactions, notably hydrogen evolution and corrosion. A key focus for enhancing stability lies in regulating the solvation structure of Zn2+. To address this, we introduce n-hexane, a nonpolar alkane, to effectively alter the coordination of Zn2+ and stabilize the interface between the Zn anode and electrolyte. The miscibility of n-hexane is facilitated by the amphiphilic salt Zn(OTf)2 and the additive β-cyclodextrin. However, developing a multi-component electrolyte with a wide design space is largely empirical and relies on expert intuition. Particularly challenging is the task of exploring the entire design space for novel electrolytes without prior knowledge. In response, we propose a sample-efficient Bayesian optimization framework that incorporates the physical relationship between solvents and salts into machine learning models to narrow down the design space. Even when employing amphiphilic salts, the physical characteristics of the insoluble sample are integrated into the machine-learning model. Remarkably, the optimized electrolyte maintains a low overpotential of 30 mV for over 1300 hours in a Zn

Zn symmetric cell, operating at a current density of 1 mA cm–2, achieved through modifications to the Zn2+ solvation structure.;수계아연이차전지는 우수한 출력 특성 및 안전성 등 이점들에도 불구하고, 수소 발생 반응, 부식과 같은 수계 전해질 기반의 부반응들이 그 상업화를 가로막고 있다. 전해질 측면에서, 수계아연이차전지의 부반응을 억제하고 안정성을 향상시키기 위한 주요 전략은 아연 이온의 용매화 구조를 조절하는 것이다. 이를 위해 무극성 알케인 분자인 n-헥산을 도입하여 아연 이온에 배위된 6개 물 분자 중 일부를 소수성 음이온 (OTf-)으로 대체함으로써 전해질과 아연 음극 사이 계면을 안정화하였다. 또한 소수성과 친수성 성질을 동시에 가지는 사이클로덱스트린 첨가제를 통해 무극성 n-헥산과 극성인 물 분자가 서로 혼합되어 균일한 용액을 만들도록 하였다. 이러한 다중 구성 요소의 전해질을 개발하는 것은 주로 실험자의 경험과 직관에 의존하여 진행되는데, 사전 지식 없이 새로운 전해질의 전체 디자인 공간을 탐색하는 작업은 매우 어렵다. 따라서, 이 연구에서는 전해질 구성 요소 간 물리적 관계를 기계 학습 모델에 통합하여 샘플 효율적인 베이지안 최적화 프레임워크를 제시한다. 개발 프레임워크를 통해 선정된 최적 전해질은 아연 대칭 셀에서 1 mA cm-2 의 전류 밀도로 1300 시간 이상 30 mV의 낮은 과전압을 유지하였고, 이는 아연 이온의 용매화 구조가 효과적으로 제어되었음을 입증한다.