A Strongly Binding Lithium Salt with Stepwise Interphase Formation Mechanism Enables Stable High-Voltage Lithium Metal Batteries

作者
Huida Lyu,Hayoung Park,Xintong Yuan,Kaixi Chen,Min-Ho Kim,Mackenzie Anderson,Kaiyan Liang,Dingyi Zhao,Tian-yu Wang,Richard B. Kaner,Yuzhang Li
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
标识
DOI:10.1021/jacs.5c12999
摘要

Stabilizing high-voltage cathodes in lithium metal batteries (LMBs) remains a key challenge due to severe interfacial degradation. Although anion-derived, inorganic-rich cathode-electrolyte interphases (CEIs) offer a promising solution, most conventional anions are chemically inert and lack the multifunctionality required to undergo both chemical and electrochemical decomposition across a wide potential window. Existing strategies to enhance anion reactivity often involve trade-offs in salt concentration, anodic stability, or environmental concern, highlighting the need for novel anion design with intrinsic and synergistic interfacial activity. In this study, we designed a multifunctional anion, 1,1,1-trifluoro-2,5,8-trioxa-1-borate (FTOB), by integrating a chelating polyethylene glycol backbone with a terminal -BF3 group as a CEI precursor. The reactive B-O bond facilitates a stepwise interphase formation mechanism: chemical decomposition of FTOB and PF6- at lower potentials (<4.5 V vs Li+/Li) via their mutual interactions, followed by direct electrochemical oxidation of FTOB at higher potentials. These dual pathways enable the construction of LiF- and borate-rich CEIs, supporting stable cycling of LMBs with both 4.3-V high-nickel layered cathode and 5-V cobalt-free spinel cathode. This work highlights the potential of rational anion design to integrate multiple interfacial formation mechanisms, advancing interphase engineering for high-voltage LMBs.
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