Electrolyte design combining fluoro- with cyano-substitution solvents for anode-free Li metal batteries

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作者
Minglei Mao,Lei Gong,Xiaobo Wang,Qiyu Wang,Guoqun Zhang,Haoxiang Wang,Wei Xie,Liumin Suo,Chengliang Wang
出处
期刊:Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America [National Academy of Sciences]
卷期号:121 (5): e2316212121-e2316212121 被引量:77
标识
DOI:10.1073/pnas.2316212121
摘要

Fluoro-substitution solvents have achieved great success in electrolyte engineering for high-energy lithium metal batteries, which, however, is beset by low solvating power, thermal and chemical instability, and possible battery swelling. Instead, we herein introduce cyanogen as the electron-withdrawing group to enhance the oxidative stability of ether solvents, in which cyanogen and ether oxygen form the chelating structure with Li+ not notably undermining the solvating power. Cyano-group strongly bonds with transition metals (TMs) of NCM811 cathode to attenuate the catalytic reactivity of TMs toward bulk electrolytes. Besides, a stable and uniform cathode-electrolyte interphase (CEI) inhibits the violent oxidation decomposition of electrolytes and guarantees the structural integrity of the NCM811 cathode. Also, a N-containing and LiF-rich solid-electrolyte interphase (SEI) in our electrolyte facilitates fast Li+ migration and dense Li deposition. Accordingly, our electrolyte enables a stable cycle of Li metal anode with Coulombic efficiency of 98.4% within 100 cycles. 81.8% capacity of 4.3 V NCM811 cathode remains after 200 cycles. Anode-free pouch cells with a capacity of 125 mAh maintain 76% capacity after 100 cycles, corresponding to an energy density of 397.5 Wh kg-1.
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