Molecular design for electrolyte solvents enabling energy-dense and long-cycling lithium metal batteries

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作者
Zhiao Yu,Hansen Wang,Xian Kong,William Huang,Yuchi Tsao,David G. Mackanic,Kecheng Wang,Xinchang Wang,Wenxiao Huang,Snehashis Choudhury,Yu Zheng,Chibueze V. Amanchukwu,Samantha T. Hung,Yuting Ma,Eder G. Lomeli,Jian Qin,Yi Cui,Zhenan Bao
出处
期刊:Nature Energy [Nature Portfolio]
卷期号:5 (7): 526-533 被引量:932
标识
DOI:10.1038/s41560-020-0634-5
摘要

Electrolyte engineering is critical for developing Li metal batteries. While recent works improved Li metal cyclability, a methodology for rational electrolyte design remains lacking. Herein, we propose a design strategy for electrolytes that enable anode-free Li metal batteries with single-solvent single-salt formations at standard concentrations. Rational incorporation of –CF2– units yields fluorinated 1,4-dimethoxylbutane as the electrolyte solvent. Paired with 1 M lithium bis(fluorosulfonyl)imide, this electrolyte possesses unique Li–F binding and high anion/solvent ratio in the solvation sheath, leading to excellent compatibility with both Li metal anodes (Coulombic efficiency ~ 99.52% and fast activation within five cycles) and high-voltage cathodes (~6 V stability). Fifty-μm-thick Li|NMC batteries retain 90% capacity after 420 cycles with an average Coulombic efficiency of 99.98%. Industrial anode-free pouch cells achieve ~325 Wh kg−1 single-cell energy density and 80% capacity retention after 100 cycles. Our design concept for electrolytes provides a promising path to high-energy, long-cycling Li metal batteries. The realization of the full potential of Li metal batteries requires high-performance electrolytes. Here Z. Bao and colleagues develop low-concentration electrolytes with a single-solvent and single-salt formulation, offering promise for high-energy and long-cycling batteries.
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