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Steric Effect Tuned Ion Solvation Enabling Stable Cycling of High-Voltage Lithium Metal Battery

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作者
Yuelang Chen,Zhiao Yu,Paul E. Rudnicki,Huaxin Gong,Zhuojun Huang,Sang Cheol Kim,Jian‐Cheng Lai,Xian Kong,Jian Qin,Yi Cui,Zhenan Bao
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
卷期号:143 (44): 18703-18713 被引量:541
标识
DOI:10.1021/jacs.1c09006
摘要

1,2-Dimethoxyethane (DME) is a common electrolyte solvent for lithium metal batteries. Various DME-based electrolyte designs have improved long-term cyclability of high-voltage full cells. However, insufficient Coulombic efficiency at the Li anode and poor high-voltage stability remain a challenge for DME electrolytes. Here, we report a molecular design principle that utilizes a steric hindrance effect to tune the solvation structures of Li+ ions. We hypothesized that by substituting the methoxy groups on DME with larger-sized ethoxy groups, the resulting 1,2-diethoxyethane (DEE) should have a weaker solvation ability and consequently more anion-rich inner solvation shells, both of which enhance interfacial stability at the cathode and anode. Experimental and computational evidence indicates such steric-effect-based design leads to an appreciable improvement in electrochemical stability of lithium bis(fluorosulfonyl)imide (LiFSI)/DEE electrolytes. Under stringent full-cell conditions of 4.8 mAh cm-2 NMC811, 50 μm thin Li, and high cutoff voltage at 4.4 V, 4 M LiFSI/DEE enabled 182 cycles until 80% capacity retention while 4 M LiFSI/DME only achieved 94 cycles. This work points out a promising path toward the molecular design of non-fluorinated ether-based electrolyte solvents for practical high-voltage Li metal batteries.
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