A high-voltage Zn-air battery based on an asymmetric electrolyte configuration

Publikation: Beitrag in FachzeitschriftForschungsartikelBeigetragenBegutachtung

Beitragende

  • Hua Zhang - , Jiangxi Normal University, Georg-August-Universität Göttingen (Autor:in)
  • Minshen Zhu - , Technische Universität Chemnitz (Autor:in)
  • Hongmei Tang - , Technische Universität Chemnitz (Autor:in)
  • Qiongqiong Lu - , Professur für Metallische Werkstoffe und Metallphysik (gB/IFW), Leibniz-Institut für Festkörper- und Werkstoffforschung Dresden (Autor:in)
  • Ting Yang - , Georg-August-Universität Göttingen (Autor:in)
  • Xiaoyu Wang - , Fakultät Physik, Leibniz-Institut für Festkörper- und Werkstoffforschung Dresden (Autor:in)
  • Bin Chen - , Shenzhen University (Autor:in)
  • Zhe Qu - , Technische Universität Chemnitz (Autor:in)
  • Xia Wang - , Max-Planck-Institut für Chemische Physik fester Stoffe (Autor:in)
  • Minghao Yu - , Center for Advancing Electronics Dresden (cfaed), Professur für Molekulare Funktionsmaterialien (cfaed) (Autor:in)
  • Daniil Karnaushenko - , Technische Universität Chemnitz (Autor:in)
  • Dmitriy D. Karnaushenko - , Technische Universität Chemnitz (Autor:in)
  • Yang Huang - , Shenzhen University (Autor:in)
  • Oliver G. Schmidt - , Technische Universität Chemnitz, Technische Universität Dresden (Autor:in)
  • Kai Zhang - , Georg-August-Universität Göttingen (Autor:in)

Abstract

Rechargeable Zn-air batteries promise safe energy storage. However, they are limited by the redox potential of O2/O2- chemistry in an alkaline electrolyte, resulting in low operating voltages and therefore insufficient energy density to compete with lithium-ion batteries. The O2/O2- redox potential increases by 0.8 V in an acidic medium, hinting at a way to boost the voltage: an asymmetric electrolyte configuration decoupling acidic and alkaline electrolytes for the air cathode and zinc anode. Such configuration requires a thin and ionically conductive membrane to separate two mutually incompatible electrolytes. Here, we report a Zn ion-exchange membrane with high ionic conductivity of 1.1 mS cm-1, which prevents acid-base neutralization. The highly reversible O2/O2- reaction in the acid is made possible by compositing a cobalt-coordinated porphyrin-based polymeric framework with MXene as a bifunctional electrocatalyst. The asymmetric Zn-air battery operates at voltages up to 1.85 V and cycles for more than 200 h with a material-level energy density of 1350 Wh kg-1, projected to a high device-level energy density of 50 Wh kg-1 (coin cell diameter: 20 mm). The asymmetric configuration withstands pressure up to 4 MPa (∼1200 N), demonstrating excellent structural stability for production and practical applications.

Details

OriginalspracheEnglisch
Aufsatznummer102791
Seitenumfang9
FachzeitschriftEnergy storage materials
Jahrgang59
PublikationsstatusVeröffentlicht - Mai 2023
Peer-Review-StatusJa

Externe IDs

WOS 000989767700001

Schlagworte

Forschungsprofillinien der TU Dresden

Ziele für nachhaltige Entwicklung

Schlagwörter

  • Asymmetric electrolyte configuration, High energy density, High voltage, Ion-exchange membrane, Porphyrin-based polymeric framework