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Strongly solvating triglyme-based electrolyte realizes stable lithium metal batteries at high-voltage and high-temperature

材料科学 电解质 阴极 锂(药物) 金属锂 阳极 热稳定性 溶剂化 金属 化学工程 电化学 无机化学 离子 物理化学 冶金 有机化学 电极 医学 化学 工程类 内分泌学
作者
Guolin Hu,Zhanlin Yang,Xiangxin Zhang,Yongchuan Liu,Yuansheng Lin,Sujing Chen,Yuanqiang Chen,Baisheng Sa,Yining Zhang
出处
期刊:Energy Storage Materials [Elsevier]
卷期号:69: 103402-103402 被引量:1
标识
DOI:10.1016/j.ensm.2024.103402
摘要

The electrolyte in lithium-metal batteries (LMBs) plays a pivotal role in stabilizing the surface of the lithium metal anode (LMA) and high-voltage cathode. However, currently widely studied ether-based electrolytes, although it has good compatibility with LMA due to their lower reactivity, are facing significant challenges related to poor oxidation resistance and cathode/electrolyte interface (CEI) instability when combined with the high-voltage cathode, particularly at elevated temperatures. Therefore, there is an urgent need to design advanced electrolytes capable of maintaining high stability under high-voltage and high-temperature conditions. Here, we have developed an ultra-stable localized high-concentration electrolyte (LHCE) by introducing triethylene glycol dimethyl ether (TG), which exhibits strong solvation ability. Computational and experimental results demonstrate that the designed TG-based dilute high-concentration electrolyte (TG-DHCE) possesses a stable solvation structure, high oxidation resistance, and thermal stability, making it ideal for LMBs. Furthermore, the unique solvation structure of TG-DHCE promotes the preferential decomposition of anions while facilitating the formation of stable, inorganic-rich electrode/electrolyte interfaces on the anode and cathode. Consequently, equipped with TG-DHCE, Li||Li cells (more than 1600 h) and Li||NCM523 cells (80.6%, 250 cycles) show superior stability and also demonstrate remarkable performance even at elevated temperatures (60 °C). Additionally, under the harsh conditions of ultrahigh loading NCM523 cathode (19.7 mg/cm2) and limited Li reservoir (twice excess Li was deposited on Cu, Li@Cu) (N/P=2), Li@Cu||NCM523 cells still maintain stable operation. This work pioneers a new path by choosing strongly solvating solvents, effectively enhancing the cycle life of LMBs under high-voltage and high-temperature conditions.
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