High-safety and high-efficiency electrolyte design for 4.6 V-class lithium-ion batteries with a non-solvating flame-retardant

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作者
Li Chen,Qingshun Nian,Digen Ruan,Jiajia Fan,Yecheng Li,Shunqiang Chen,Lijiang Tan,Xuan Luo,Zhuangzhuang Cui,Yifeng Cheng,Changhao Li,Xiaodi Ren
出处
期刊:Chemical Science [Royal Society of Chemistry]
卷期号:14 (5): 1184-1193 被引量:43
标识
DOI:10.1039/d2sc05723a
摘要

Nonflammable electrolytes are critical for the safe operation of high-voltage lithium-ion batteries (LIBs). Although organic phosphates are effective flame retardants, their poor electrochemical stability with a graphite (Gr) anode and Ni-rich cathodes would lead to the deterioration of electrode materials and fast capacity decay. Herein, we develop a safe and high-performance electrolyte formulation for high-voltage (4.6 V-class) LIBs using flame-retarding ethoxy(pentafluoro) cyclotriphosphazene (PFPN) as a non-solvating diluent for the high-concentration carbonate-ether hybrid electrolyte. In contrast to conventional nonflammable additives with restricted dosage, the high level of PFPN (69% mass ratio in our electrolyte design) could significantly increase the electrolyte flash point and protect the favored anion-rich inner solvation sheath because of its non-solvating feature, thus preventing solvent co-intercalation and structural damage to the Gr anode. The nonflammable electrolyte could also form a stable LiF-rich cathode electrolyte interphase (CEI), which enables superior electrochemical performances of Gr‖LiNi0.8Mn0.1Co0.1O2 (NMC811) full cells at high voltages (∼82.0% capacity retention after 1000 cycles at 4.5 V; 89.8% after 300 cycles at 4.6 V) and high temperatures (50 °C). This work sheds light on the electrolyte design and interphase engineering for developing practical safe high-energy-density LIBs.
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