Simultaneous optimization of solvation structure and water-resistant capability of MgCl2-based electrolyte using an additive combination of organic and inorganic lithium salts

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作者
Haiyan Fan,Xinxin Zhang,Jianhua Xiao,Yitao Lin,Shuaiyang Ren,Yuxing Zhao,Hua Yuan,Ludi Pan,Qiyuan Lin,Haowen Liu,Yipeng Su,Yi Su,Yang Liu,Yuegang Zhang
出处
期刊:Energy Storage Materials [Elsevier]
卷期号:51: 873-881 被引量:32
标识
DOI:10.1016/j.ensm.2022.07.023
摘要

The inefficient operation of Mg batteries associated with the high sensitivity of electrolyte to impurities (water, air, etc.) seriously impedes their practical use. Here, we report a water-resistant MgCl2-based electrolyte consisting of low-cost organic lithium hexamethyldisilazide (LiHMDS) and inorganic lithium chloride (LiCl) dual-salt additives. The electrolyte displays excellent electrochemical performance for reversible Mg stripping and plating, with overpotential of 0.15 V and 0.30 V at 5 mA cm–2 and 10 mA cm–2, respectively, and Coulombic efficiency (CE) up to 100%. It keeps its reactivity even with the presence of 1000 ppm H2O or ∼3% impurities introduced by using impure reagents (MgCl2, 97%) during its synthesis. Experimental characterization and theoretical calculations reveal that the single-salt additive of organic LiHMDS in MgCl2/THF is a “double edged sword”:the upside is that, with a small amount added, it contributes to reduce the de-solvation energy of Mg2+by forming water-resistant [MgxLiyHMDSzCl2x+y-z· nTHF] aggregates with MgCl2 salts; the downside is that, while its amount increases, it starts to dissociate those functional aggregates. On the other hand, adding an inorganic salt LiCl as co-additive can reconstruct [MgxLiyHMDSzCl2x+y-z· nTHF] aggregates and avoid their dissociation. With this hybrid electrolyte, a Mg//Mo6S8 full cell can achieve a discharge specific capacity of 83 mA h g–1 even after 10,000 cycles at a high rate of 31.1 C (1 C = 128.8 mA g–1). This solvation structure reconstruction approach has far-reaching significance for the electrolyte design for rechargeable magnesium batteries.
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