Nonflammable Lithium Metal Full Cells with Ultra-high Energy Density Based on Coordinated Carbonate Electrolytes

电解质 阳极 阴极 碳酸丙烯酯 电化学 化学工程 材料科学 锂(药物) 金属锂 金属 碳酸盐 无机化学 化学 电极 物理化学 冶金 医学 内分泌学 工程类
作者
Sung Ju Cho,Dae-Eun Yu,Travis P. Pollard,Hyunseok Moon,Min‐Chul Jang,Oleg Borodin,Sang‐Young Lee
出处
期刊:iScience [Cell Press]
卷期号:23 (2): 100844-100844 被引量:61
标识
DOI:10.1016/j.isci.2020.100844
摘要

Summary

Coupling thin Li metal anodes with high-capacity/high-voltage cathodes such as LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2 (NCM811) is a promising way to increase lithium battery energy density. Yet, the realization of high-performance full cells remains a formidable challenge. Here, we demonstrate a new class of highly coordinated, nonflammable carbonate electrolytes based on lithium bis(fluorosulfonyl)imide (LiFSI) in propylene carbonate/fluoroethylene carbonate mixtures. Utilizing an optimal salt concentration (4 M LiFSI) of the electrolyte results in a unique coordination structure of Li+-FSI-solvent cluster, which is critical for enabling the formation of stable interfaces on both the thin Li metal anode and high-voltage NCM811 cathode. Under highly demanding cell configuration and operating conditions (Li metal anode = 35 μm, areal capacity/charge voltage of NCM811 cathode = 4.8 mAh cm−2/4.6 V, and anode excess capacity [relative to the cathode] = 0.83), the Li metal-based full cell provides exceptional electrochemical performance (energy densities = 679 Wh kgcell−1/1,024 Wh Lcell−1) coupled with nonflammability.
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