Self-terminating, heterogeneous solid–electrolyte interphase enables reversible Li–ether cointercalation in graphite anodes

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作者
Dawei Xia,Heonjae Jeong,Dewen Hou,Lei Tao,Tianyi Li,Kristin Knight,Anyang Hu,Ethan P. Kamphaus,Dennis Nordlund,Sami Sainio,Yuzi Liu,John R. Morris,Wenqian Xu,Haibo Huang,Luxi Li,Hui Xiong,Lei Cheng,Feng Lin
出处
期刊:Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America [National Academy of Sciences]
卷期号:121 (5): e2313096121-e2313096121 被引量:14
标识
DOI:10.1073/pnas.2313096121
摘要

Ether solvents are suitable for formulating solid-electrolyte interphase (SEI)-less ion-solvent cointercalation electrolytes in graphite for Na-ion and K-ion batteries. However, ether-based electrolytes have been historically perceived to cause exfoliation of graphite and cell failure in Li-ion batteries. In this study, we develop strategies to achieve reversible Li–solvent cointercalation in graphite through combining appropriate Li salts and ether solvents. Specifically, we design 1M LiBF 4 1,2-dimethoxyethane (G1), which enables natural graphite to deliver ~91% initial Coulombic efficiency and >88% capacity retention after 400 cycles. We captured the spatial distribution of LiF at various length scales and quantified its heterogeneity. The electrolyte shows self-terminated reactivity on graphite edge planes and results in a grainy, fluorinated pseudo-SEI. The molecular origin of the pseudo-SEI is elucidated by ab initio molecular dynamics (AIMD) simulations. The operando synchrotron analyses further demonstrate the reversible and monotonous phase transformation of cointercalated graphite. Our findings demonstrate the feasibility of Li cointercalation chemistry in graphite for extreme-condition batteries. The work also paves the foundation for understanding and modulating the interphase generated by ether electrolytes in a broad range of electrodes and batteries.
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