Solvation and Interfacial Engineering Enable −40 °C Operation of Graphite/NCM Batteries at Energy Density over 270 Wh kg−1

材料科学 电解质 化学工程 石墨 溶剂化 阴极 动能 离子 纳米技术 物理化学 复合材料 有机化学 电极 化学 量子力学 物理 工程类
作者
Xueying Zheng,Zhang Cao,Wei Luo,Suting Weng,Xianlin Zhang,Donghai Wang,Zheng Zhu,Haoran Du,Xuefeng Wang,Long Qie,Honghe Zheng,Yangyang Huang
出处
期刊:Advanced Materials [Wiley]
卷期号:35 (10) 被引量:19
标识
DOI:10.1002/adma.202210115
摘要

Li-ion batteries (LIBs) that can operate under low temperature (LT) conditions are essential for applications in orbital missions, subsea areas, and electric vehicles. Unfortunately, severe capacity loss is witnessed due to tremendous kinetic barriers that emerge at LT. Herein, to surmount such kinetic limitations, a low dielectric environment is tamed throughout the bulk electrolyte, which efficaciously brought the Li+ desolvation energy down to 30.76 kJ mol-1 . At the meantime, the adoption of sodium cations (Na+ ) is proposed as a hetero-cation additive, and a Li-Na hybrid and fluoride-rich interphase is further identified via preferential reduction of Na+ -(solvent/anion) clusters, which is found to efficiently facilitate Li+ migration through the LiF/NaF grain boundaries. Based on a N/P ratio of 1.1, the graphite/LiNi0.5 Co0.2 Mn0.3 O2 (NCM) full cell (cathode loading of ≈18.5 mg cm-2 ) delivers a capacity as high as 125.1 mAh g-1 under -20 °C with prolonged cycling to 100 cycles. Finally, a 270 Wh kg-1 graphite/NCM pouch cell is assembled, which affords a discharge capacity of 108.7 mAh g-1 under -40 °C during the initial cycles. With an eye to both fundamental and practical aspects, this work will propel additional advancements and allow LIBs to fill more roles under extreme operation temperatures than ever before.
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