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Ultrahigh‐Voltage Lithium Metal Batteries Enabled by Single‐Ion and Weakly‐Solvating Nanometric Aggregates

电解质 材料科学 锂(药物) 介观物理学 溶剂化 金属锂 化学工程 离子 化学物理 纳米技术 化学 电极 物理化学 有机化学 医学 工程类 内分泌学 物理 量子力学
作者
Chenxi Xiao,Peng Wen,Feng Luo,Daquan Yu,Huaijiao Wang,Zhirong Zhou,Weiping Li,Xinxing Zhang,Xinrong Lin
出处
期刊:Angewandte Chemie [Wiley]
标识
DOI:10.1002/anie.202502465
摘要

The urgent need for high energy density (> 400 Wh kg‐1) has driven advancements in lithium metal batteries (LMBs) with high‐voltage cathodes. However, degradation of traditional electrolytes restricts high cut‐off voltage < 4.4 V, while low lithium transference numbers (tLi+) lead to polarization and early charge/discharge termination, which typically necessitate use of multiple solvents or salt‐concentrated electrolytes to enable high‐voltage chemistry. To address this challenge, we developed a single‐solvent, single‐salt electrolyte with tris(2,2,2‐trifluoroethyl)phosphate (TFEP), achieving a high tLi+ of 0.82 and enabling ultra‐high‐voltage LMB operation up to 5.0 V. Large molecular sterics and electron density delocalization of TFEP enabled dominant presence of local aggregates (AGGs), which further populated to form large and ion‐rich weakly‐solvating nanometric aggregates (n‐AGGs), changing redox properties and promoting the interfacial stabilities to a greater extent. As a result, we showed suppressed dendrite formation with stable cycling for over 1,500 hours, and full‐cell operations paired with LiNi0.8Mn0.1Co0.1O2 (NCM811) at 4.7 V and with LiNi0.5Mn1.5O4 (LNMO) at 5.0 V. The tuning of bulk electrolyte properties from the scale of microscopic electronic structures to mesoscopic solvation structures has effectively enhanced thermodynamic and kinetic stabilities of the electrolyte, paving the way for lithium metal batteries with high‐voltage tolerance.
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