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

电解质 法拉第效率 阴极 阳极 化学 化学工程 无机化学 电池(电) 锂(药物) 材料科学 电极 物理化学 内分泌学 工程类 量子力学 物理 医学 功率(物理)
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:80
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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