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Stabilization of high-voltage lithium metal batteries using a sulfone-based electrolyte with bi-electrode affinity and LiSO2F-rich interphases

电解质 材料科学 阳极 锂(药物) 阴极 无机化学 溶解 过渡金属 化学工程 电极 物理化学 高分子化学 有机化学 化学 催化作用 内分泌学 工程类 医学
作者
Liwei Dong,Yuanpeng Liu,Dongjiang Chen,Yupei Han,Ying Ji,Jipeng Liu,Botao Yuan,Yachao Dong,Qun Li,Shengyu Zhou,Shun Zhong,Yonggan Liang,Mingwei Yang,Chunhui Yang,Weidong He
出处
期刊:Energy Storage Materials [Elsevier]
卷期号:44: 527-536 被引量:49
标识
DOI:10.1016/j.ensm.2021.10.045
摘要

High-voltage cathodes paired with lithium metal anode have aroused extensive interests owing to their application potentials for high-density energy storage. Nevertheless, conventional electrolytes fail to maintain the stability of high-voltage cathodes and Li anode, due to their rigid interfacial chemistry with low adsorption of transition metal and strong bonding with Li+ ions. These inadequate interactions exacerbate issues such as transition metal dissolution and non-uniform Li+ transference, ultimately resulting in low cyclability of high-voltage lithium metal batteries (HVLMBs). By incorporating fluoroethylene carbonate (FEC) into lithium bis(trifluoromethane sulfonyl) imide (LiTFSI)/tetramethylene sulfone (TMS) solution, we design a sulfone-based electrolyte to improve the cyclability of HVLMBs with bi-electrode affinity characteristic—the TMS solvent with outstanding anti-oxidation stability preferentially tends to the aggressive cathodes while the FEC solvent with excellent film-forming ability approaches to the Li anode, attributed to the different adsorption energy between various solvents and electrodes. In addition, the sulfone electrolyte forms ultra-thin fluorine and sulfur-rich interphases, containing LiSO2F with S=O bonds of low electron density, associated with Li+ and e− species attacking the S-C and S-N bonds of LiTFSI and the S-C bonds of TMS. As confirmed by in-situ Raman, Ab initio molecular dynamics, and phase field simulations, the LiSO2F uniformizes in-plane Li+ transfer and mitigates transition metal dissolution, owing to the smallest Li+-LiSO2F bonding value (-1.95 eV) and the largest transition metal absorption value with LiSO2F (-3.86 eV) ever reported in the interfacial components. With Coulombic efficiency of 99.3%, the electrolyte enables an 86.1% retention after 500 cycles for Li/NMC811 (4.40 V) batteries.
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