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:475
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. Here, 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 –CHF2 is identified as the optimal group rather than fully fluorinated –CF3 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-LiFePO4 industrial pouch cells under realistic testing conditions. The correlation of Li+–solvent coordination, solvation environments and battery performance is investigated to understand structure–property relationships. Cycling capability, especially at high rates, is limited for lithium metal batteries. Here the authors report electrolyte solvent design through fine-tuning of molecular structures to address the cyclability issue and unravel the electrolyte structure–property relationship for battery applications.
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