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

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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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