Refined Electrolyte and Interfacial Chemistry toward Realization of High-Energy Anode-Free Rechargeable Sodium Batteries

电解质 阳极 化学 阴极 法拉第效率 电化学 无机化学 电池(电) 氧化物 化学工程 电极 有机化学 物理化学 功率(物理) 工程类 物理 量子力学
作者
Yuying Zhang,Chaohui Zhang,Yu‐Jie Guo,Min Fan,Yao Zhao,Hua Guo,Wenpeng Wang,Shuang‐Jie Tan,Ya‐Xia Yin,Fuyi Wang,Sen Xin,Yu‐Guo Guo,Li‐Jun Wan
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
卷期号:145 (47): 25643-25652 被引量:51
标识
DOI:10.1021/jacs.3c07804
摘要

Anode-free rechargeable sodium batteries represent one of the ultimate choices for the 'beyond-lithium' electrochemical storage technology with high energy. Operated based on the sole use of active Na ions from the cathode, the anode-free battery is usually reported with quite a limited cycle life due to unstable electrolyte chemistry that hinders efficient Na plating/stripping at the anode and high-voltage operation of the layered oxide cathode. A rational design of the electrolyte toward improving its compatibility with the electrodes is key to realize the battery. Here, we show that by refining the volume ratio of two conventional linear ether solvents, a binary electrolyte forms a cation solvation structure that facilitates flat, dendrite-free, planar growth of Na metal on the anode current collector and that is adaptive to high-voltage Na (de)intercalation of P2-/O3-type layered oxide cathodes and oxidative decomposition of the Na2C2O4 supplement. Inorganic fluorides, such as NaF, show a major influence on the electroplating pattern of Na metal and effective passivation of plated metal at the anode-electrolyte interface. Anode-free batteries based on the refined electrolyte have demonstrated high coulombic efficiency, long cycle life, and the ability to claim a cell-level specific energy of >300 Wh/kg.
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