Rational solvent molecule tuning for high-performance lithium metal battery electrolytes

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作者
Zhiao Yu,Paul E. Rudnicki,Zewen Zhang,Zhuojun Huang,Hasan Çelik,Solomon T. Oyakhire,Yuelang Chen,Xian Kong,Sang Cheol Kim,Xin Xiao,Hansen Wang,Yu Zheng,Gaurav A. Kamat,Mun Sek Kim,Stacey F. Bent,Jian Qin,Yi Cui,Zhenan Bao
出处
期刊:Nature Energy [Springer Nature]
卷期号:7 (1): 94-106 被引量:840
标识
DOI:10.1038/s41560-021-00962-y
摘要

Electrolyte engineering improved cycling of Li metal batteries and anode-free cells at low current densities; however, high-rate capability and tuning of ionic conduction in electrolytes are desirable yet less-studied. In this study, we design and synthesize a family of fluorinated-1,2-diethoxyethanes as electrolyte solvents. The position and amount of F atoms functionalized on 1,2-diethoxyethane were found to greatly affect electrolyte performance. Partially fluorinated, locally polar –CHF<sub>2</sub> is identified as the optimal group rather than fully fluorinated –CF<sub>3</sub> in common designs. Paired with 1.2 M lithium bis(fluorosulfonyl)imide, these developed single-salt-single-solvent electrolytes simultaneously enable high conductivity, low and stable overpotential, >99.5% Li||Cu half-cell efficiency (up to 99.9%, ±0.1% fluctuation) and fast activation (Li efficiency >99.3% within two cycles). Combined with high-voltage stability, these electrolytes achieve roughly 270 cycles in 50-μm-thin Li||high-loading-NMC811 full batteries and >140 cycles in fast-cycling Cu||microparticle-LiFePO<sub>4</sub> industrial pouch cells under realistic testing conditions. The correlation of Li<sup>+</sup>–solvent coordination, solvation environments and battery performance is investigated to understand structure–property relationships.
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