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Domino Reactions Enabling Sulfur-Mediated Gradient Interphases for High-Energy Lithium Batteries

电解质 化学 阳极 电化学 相间 硫黄 化学工程 电极 纳米技术 有机化学 材料科学 物理化学 遗传学 生物 工程类
作者
Mengyu Tian,Jin Zhou,Ziyu Song,Ronghan Qiao,Yong Yan,Hailong Yu,Liubin Ben,Michel Armand,Heng Zhang,Zhibin Zhou,Xuejie Huang
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
卷期号:145 (39): 21600-21611 被引量:16
标识
DOI:10.1021/jacs.3c07908
摘要

Silicon (Si)-based anodes are currently considered a feasible solution to improve the energy density of lithium-ion batteries owing to their sufficient specific capacity and natural abundance. However, Si-based anodes exhibit low electric conductivities and large volume changes during cycling, which could easily trigger continuous breakdown/reparation of the as-formed solid-electrolyte-interphase (SEI) layer, seriously hampering their practical application in current battery technology. To control the chemoelectrochemical instability of the conventional SEI layer, we herein propose the introduction of elemental sulfur into nonaqueous electrolytes, aiming to build a sulfur-mediated gradient interphase (SMGI) layer on Si-based anodes. The SMGI layer is generated through the domino reactions (i.e., electrochemical cascade reactions) involving the electrochemical reductions of elemental sulfur followed by nucleophilic substitutions of fluoroethylene carbonate, which endows the corresponding SEI layer with strong elasticity and chemomechanical stability and enables rapid transportation of Li+ ions. Consequently, the prototype Si||LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2 cells attain a high-energy density of 622.2 W h kg-1 and a capacity retention of 88.8% after 100 cycles. Unlike previous attempts based on sophisticated chemical modifications of electrolyte components, this study opens a new avenue in interphase design for long-lived and high-energy rechargeable batteries.
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