Weakly Solvating Ester Electrolyte for High Voltage Sodium-ion Batteries

电解质 材料科学 离子 无机化学 有机化学 电极 冶金 物理化学 化学
作者
Rishivandhiga Jayakumar,Travis P. Pollard,Oleg Borodin,Vadim Shipitsyn,Chanmonirath Chak,Glenn Pastel,Allen Zheng,Michel B. Johnson,Fuead Hasan,Christopher M. Bejger,Marshall A. Schroeder,Steve Greenbaum,Wenhua Zuo,Lin Ma
出处
期刊:Nano Energy [Elsevier]
卷期号:128: 109969-109969
标识
DOI:10.1016/j.nanoen.2024.109969
摘要

Ethyl acetate (EA) was identified as a promising electrolyte solvent for sodium-ion batteries (SIBs), exhibiting low viscosity, cost-effectiveness, and low toxicity. Despite a significant portion of aggregation being linked to the weak solvation of Na+/EA as revealed by molecular dynamics (MD) simulations, pulsed-field gradient nuclear magnetic resonance (pfg-NMR) analysis identified a noteworthy Na+ diffusion coefficient of 3.95×10-10 m2 s-1 at 25°C in the presence of 1 m NaPF6 salt. Employing fluoroethylene carbonate (FEC) as a film-forming additive to create electrode-electrolyte interphase, this electrolyte surprisingly made ~210 mAh Na0.97Ca0.03[Mn0.39Fe0.31Ni0.22Zn0.08]O2 (NCMFNZO)/hard carbon (HC) pouch cells achieve a lengthy cycling lifetime of 250 cycles with ~80% capacity retention, cycled up to 4.0 V at 40°C. X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) revealed increasing interphasial organic species over cycling, augmenting charge transfer resistance on both cathode and anode, particularly during fast charging or low temperatures (<10°C), promoting Na plating. Gas chromatography-mass spectrometry combined with density functional theory identified CO2 as the major gas generated from charged cathode/electrolyte interactions, exhibiting temperature/voltage dependence.
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