Topological Design of Highly Conductive Weakly Solvating Electrolytes for Ultrastable Sodium Metal Batteries Operating at −60 °C and Below

化学 电解质 导电体 金属 快离子导体 拓扑(电路) 纳米技术 化学工程 有机化学 物理化学 电极 电气工程 量子力学 物理 材料科学 工程类
作者
Zhiling Wang,Tao Zheng,Shuzhan Wang,Xia‐Guang Zhang,Yu Gu,Shuai Tang,Yongzhu Fu
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
标识
DOI:10.1021/jacs.4c16076
摘要

Weakly solvating electrolytes (WSE) can favor reversible Na batteries at -40 °C for some extreme applications because of the low desolvation energy. However, it is challenging to enable reversible Na batteries at lower temperatures. Herein, we uncover that the low ionic conductivity of WSE reduces reaction kinetics at -60 °C. Accordingly, a highly conductive weakly solvating electrolyte (HCWSE) is designed by introducing additives of strongly solvating solvents and the dilution of NaPF6. The additive can dominate the solvation sheath, increase the dissociation of NaPF6 and the fluidity of the electrolyte, and thus greatly improve the ionic conductivity. Furthermore, the binding energy between Na+ and solvents is proposed as a descriptor to determine the solvating power of solvents, based on which a series of ultralow-temperature HCWSEs have been topologically designed by facilely introducing strong-solvation ether additives into the weak-solvation solvents. As a demonstration, the HCWSE showcases the long cycling of Na||Na cell at -60 °C with an overpotential of 42 mV under 1 mA cm-2 for 1200 h. The Na||NNFM (Na0.75Ni0.25Fe0.25Mn0.5O2) cell exhibits a reversible capacity of 79.2 mAh g-1 after 160 cycles. The cells also achieve impressive performances at -70 °C.
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