Enabling high-energy-density aqueous batteries with hydrogen bond-anchored electrolytes

电解质 电化学 电化学窗口 法拉第效率 水溶液 阳极 无机化学 化学 化学工程 环丁砜 材料科学 电极 离子电导率 有机化学 物理化学 工程类 溶剂
作者
Yu Wang,Tairan Wang,Dejian Dong,Jing Xie,Yuepeng Guan,Yaqin Huang,Jun Fan,Yi‐Chun Lu
出处
期刊:Matter [Elsevier]
卷期号:5 (1): 162-179 被引量:143
标识
DOI:10.1016/j.matt.2021.10.021
摘要

Conventional aqueous electrolytes suffer from a narrow voltage window due to water decomposition. Highly concentrated electrolytes expand the voltage window; however, they are limited by high cost and potential toxicity. Here, we develop a hydrogen bond-anchored electrolyte by introducing sulfolane as hydrogen bond acceptor to limit water activity. The designed electrolyte expands the voltage window to 3.4 V (1.3–4.7 V versus Li+/Li) and forms a hierarchical anode-electrolyte interphase to suppress the hydrogen evolution reaction. An aqueous Li4Ti5O12/LiMn2O4 full cell achieved 141 W h kg−1 for 300 cycles at 1 C and 125 W h kg−1 for 1,000 cycles at 5 C with a high Coulombic efficiency of 99.5%–99.9%. On-line electrochemical mass spectroscopy shows negligible hydrogen/oxygen gas evolution upon cycling, further confirming the stability of the designed electrolyte. This work demonstrates a rational and effective approach to suppress the hydrogen evolution reaction and achieve stable high-voltage aqueous batteries.
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