Design of a Dual-Electrolyte Battery System Based on a High-Energy NCM811-Si/C Full Battery Electrode-Compatible Electrolyte

电解质 阳极 材料科学 分离器(采油) 阴极 电化学 电池(电) 化学工程 阴极保护 电极 化学 物理 工程类 物理化学 功率(物理) 热力学 量子力学
作者
Shenggong He,Shimin Huang,Yu Zhao,Haiqing Qin,Yan Shan,Xianhua Hou
出处
期刊:ACS Applied Materials & Interfaces [American Chemical Society]
卷期号:13 (45): 54069-54078 被引量:25
标识
DOI:10.1021/acsami.1c17841
摘要

Rechargeable lithium-ion batteries using high-capacity anodes and high-voltage cathodes can deliver the highest possible energy densities among all electrochemical devices. However, there is no single electrolyte with a wide and stable electrochemical window that can accommodate both a high-voltage cathode and a low-voltage anode so far. Here, we propose that a strategy of using a hybrid electrolyte should be applied to realize the full potential of a Ni-rich LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2 (NCM811)-silicon/carbon (Si/C) full cell by simultaneously achieving optimal redox chemistry at both the NCM811 cathode and the Si/C anode. The hybrid-electrolyte design spatially separates the cathodic electrolytes from anodic electrolytes by a Nafion-based separator. The ionic liquid electrolyte (LiTFSI-Pyr13TFSI) on the cathode side can stand high work potentials and form a stable cathodic electrolyte intermediate (CEI) on NCM811. Meanwhile, a stable solid electrolyte intermediate (SEI) and high cycling stability can also be achieved on the anode side, enabled by a localized high concentration of ether-based electrolytes (LiTFSI-DME/HFE). The decoupled NCM811-Si/C full cell exhibits excellent long-term cycling performance with ultrahigh capacity retention for over 1000 cycles, thanks to the synergy of the cathode-side and anode-side electrolytes. This hybrid-electrolyte strategy has been proven to be applicable for other high-performance battery systems such as dual-ion batteries (DIB).

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