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Solvent-Mediated, Reversible Ternary Graphite Intercalation Compounds for Extreme-Condition Li-Ion Batteries

化学 插层(化学) 三元运算 阳极 电解质 石墨 电化学 无机化学 溶剂 离子 四氢呋喃 阴极 化学工程 有机化学 物理化学 电极 工程类 程序设计语言 计算机科学
作者
Lei Tao,Dawei Xia,Poom Sittisomwong,Hanrui Zhang,Jianwei Lai,Sooyeon Hwang,Tianyi Li,Bingyuan Ma,Anyang Hu,Jungki Min,Dong Hou,Sameep Rajubhai Shah,Kejie Zhao,Guang Yang,Hua Zhou,Luxi Li,Peng Bai,Feifei Shi,Feng Lin
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
卷期号:146 (24): 16764-16774 被引量:5
标识
DOI:10.1021/jacs.4c04594
摘要

Traditional Li-ion intercalation chemistry into graphite anodes exclusively utilizes the cointercalation-free or cointercalation mechanism. The latter mechanism is based on ternary graphite intercalation compounds (t-GICs), where glyme solvents were explored and proved to deliver unsatisfactory cyclability in LIBs. Herein, we report a novel intercalation mechanism, that is, in situ synthesis of t-GIC in the tetrahydrofuran (THF) electrolyte via a spontaneous, controllable reaction between binary-GIC (b-GIC) and free THF molecules during initial graphite lithiation. The spontaneous transformation from b-GIC to t-GIC, which is different from conventional cointercalation chemistry, is characterized and quantified via operando synchrotron X-ray and electrochemical analyses. The resulting t-GIC chemistry obviates the necessity for complete Li-ion desolvation, facilitating rapid kinetics and synchronous charge/discharge of graphite particles, even under high current densities. Consequently, the graphite anode demonstrates unprecedented fast charging (1 min), dendrite-free low-temperature performance, and ultralong lifetimes exceeding 10 000 cycles. Full cells coupled with a layered cathode display remarkable cycling stability upon a 15 min charging and excellent rate capability even at −40 °C. Furthermore, our chemical strategies are shown to extend beyond Li-ion batteries to encompass Na-ion and K-ion batteries, underscoring their broad applicability. Our work contributes to the advancement of graphite intercalation chemistry and presents a low-cost, adaptable approach for achieving fast-charging and low-temperature batteries.
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