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Restructuring Electrolyte Solvation by a Partially and Weakly Solvating Cosolvent toward High-Performance Potassium-Ion Batteries

电解质 溶剂化 二甲氧基乙烷 法拉第效率 无机化学 化学 插层(化学) 化学工程 溶剂 材料科学 电极 有机化学 物理化学 工程类
作者
Weijie Chen,Dianwei Zhang,Hongwei Fu,Jinfan Li,Xinzhi Yu,Jiang Zhou,Bingan Lu
出处
期刊:ACS Nano [American Chemical Society]
卷期号:18 (19): 12512-12523 被引量:71
标识
DOI:10.1021/acsnano.4c02108
摘要

Ether-based electrolytes are among the most important electrolytes for potassium-ion batteries (PIBs) due to their low polarization voltage and notable compatibility with potassium metal. However, their development is hindered by the strong binding between K+ and ether solvents, leading to [K+–solvent] cointercalation on graphite anodes. Herein, we propose a partially and weakly solvating electrolyte (PWSE) wherein the local solvation environment of the conventional 1,2-dimethoxyethane (DME)-based electrolyte is efficiently reconfigured by a partially and weakly solvating diethoxy methane (DEM) cosolvent. For the PWSE in particular, DEM partially participates in the solvation shell and weakens the chelation between K+ and DME, facilitating desolvation and suppressing cointercalation behavior. Notably, the solvation structure of the DME-based electrolyte is transformed into a more cation–anion–cluster-dominated structure, consequently promoting thin and stable solid–electrolyte interphase (SEI) generation. Benefiting from optimized solvation and SEI generation, the PWSE enables a graphite electrode with reversible K+ (de)intercalation (for over 1000 cycles) and K with reversible plating/stripping (the K||Cu cell with an average Coulombic efficiency of 98.72% over 400 cycles) and dendrite-free properties (the K||K cell operates over 1800 h). We demonstrate that rational PWSE design provides an approach to tailoring electrolytes toward stable PIBs.
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