All-temperature batteries enabled by fluorinated electrolytes with non-polar solvents

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作者
Xiulin Fan,Xiao Ji,Long Chen,Ji Chen,Tao Deng,Fudong Han,Jie Yue,Nan Piao,Ruixing Wang,Xiuquan Zhou,Xuezhang Xiao,Lixin Chen,Chunsheng Wang
出处
期刊:Nature Energy [Nature Portfolio]
卷期号:4 (10): 882-890 被引量:749
标识
DOI:10.1038/s41560-019-0474-3
摘要

Carbonate electrolytes are commonly used in commercial non-aqueous Li-ion batteries. However, the high affinity between the solvents and the ions and high flammability of the carbonate electrolytes limits the battery operation temperature window to −20 to + 50 °C and the voltage window to 0.0 to 4.3 V. Here, we tame the affinity between solvents and Li ions by dissolving fluorinated electrolytes into highly fluorinated non-polar solvents. In addition to their non-flammable characteristic, our electrolytes enable high electrochemical stability in a wide voltage window of 0.0 to 5.6 V, and high ionic conductivities in a wide temperature range from −125 to + 70 °C. We show that between −95 and + 70 °C, the electrolytes enable LiNi0.8Co0.15Al0.05O2 cathodes to achieve high Coulombic efficiencies of >99.9%, and the aggressive Li anodes and the high-voltage (5.4 V) LiCoMnO4 to achieve Coulombic efficiencies of >99.4% and 99%, respectively. Even at −85 °C, the LiNi0.8Co0.15Al0.05O2 || Li battery can still deliver ~50% of its room-temperature capacity. Batteries generally do not perform well at extreme temperatures, and electrolytes are mainly to blame. Here, the authors dissolve fluorinated electrolytes in highly fluorinated non-polar solvents, enabling batteries that can operate at a wide temperature range (−125 to +70 °C).
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