Electrolytes that reduce electro-osmotic drag improve fast charging of lithium-ion batteries

电解质 溶剂化 阻力 电极 溶剂 离子 溶剂拖动 材料科学 化学物理 电荷(物理) 多孔性 储能 化学工程 化学 纳米技术 电池(电) 化学能 电荷 无机化学
作者
Chang-Xin Zhao,Zeyi Wang,David Jacobson,Yue Li,Boris Khaykovich,Sean Fayfar,Lei Zheng,Jacob LaManna,Xilin Chen,Daniel S. Hussey,Fu Chen,Gabriel M. Veith,Chunsheng Wang
出处
期刊:Science [American Association for the Advancement of Science]
卷期号:390 (6774): 745-750
标识
DOI:10.1126/science.adv1739
摘要

Fast charging (at rates greater than 4 C) is essential for high-energy lithium-ion batteries in electric vehicles yet remains challenging owing to a lack of understanding of fast-charging barriers. Conventional optimization strategies concentrate on shortening lithium-ion transport pathways through electrode structure modification, which often compromises energy densities. In this work, we demonstrate that thick-electrode fast charging is constrained by solvent withdrawal within porous electrodes and the resulting electro-osmotic drag polarization, which is driven by cation-induced electro-osmotic drag. To reduce electro-osmotic drag polarization, we designed electrolytes with weak cation solvation and strong anion solvation, where a difluorinated solvent weakens lithium-cation solvation and its difluoromethyl hydrogen atoms enhance anion solvation through hydrogen bonding. This electrolyte enables thick-electrode, energy-dense batteries to achieve 80% charge within 13 minutes.
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