Quasi-Solid-State Conversion with Fast Redox Kinetics Enabled by a Sulfonamide-Based Electrolyte in Li–Organic Batteries

电解质 氧化还原 磺胺 动力学 固态 材料科学 无机化学 化学工程 电极 纳米技术 化学 有机化学 物理化学 量子力学 物理 工程类
作者
Huang Cai,Xinke Cui,Yonghao Shi,Yuxin Zhang,Xinran Chen,Lihong Fan,Jian Zhou,Chuanjin Tian,Weijiang Xue
出处
期刊:ACS Nano [American Chemical Society]
卷期号:18 (47): 32723-32731
标识
DOI:10.1021/acsnano.4c10343
摘要

The serious dissolution of organic electrode materials (e.g., perylene-3,4,9,10-tetracarboxylic dianhydride, PTCDA) in electrolytes is a major challenge, deteriorating their electrochemical performances and hindering the interpretation of the fundamental redox reaction mechanisms including the intrinsic kinetics and the solvent cointercalation. To address these issues, we propose a rationally designed sulfonamide-based electrolyte to enable a quasi-solid-state conversion (QSSC) of the PTCDA cathode by effectively suppressing its dissolution in the electrolyte. Benefiting from the QSSC, the Li||PTCDA cells can retain ∼95.8% of the original capacity after 300 cycles with both high and stable energy efficiencies >95%, even comparable to the layered transition-metal oxide cathodes, greatly outperforming an ether-based electrolyte with a high PTCDA solubility. The high energy efficiencies indicate that the QSSC of PTCDA has intrinsic fast redox kinetics. Furthermore, the solvent cointercalation mechanism was investigated by density functional theory/molecular dynamic calculations. This work develops a strategy for designing electrolytes for highly stable and efficient Li-organic batteries.
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