Synergistic Anion and Solvent-Derived Interphases Enable Lithium-Ion Batteries under Extreme Conditions

化学 电解质 锂(药物) 离子 相间 盐(化学) 溶剂 石墨 无机化学 化学工程 电极 有机化学 医学 内分泌学 物理化学 生物 工程类 遗传学
作者
Sha Tan,Oleg Borodin,Nan Wang,Dean Yen,Conan Weiland,Enyuan Hu
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
卷期号:146 (44): 30104-30116 被引量:32
标识
DOI:10.1021/jacs.4c07806
摘要

Lithium-ion batteries (LIBs) face increasingly stringent demands as their application expands into new areas, including extreme temperatures and fast charging. To meet these demands, the electrolyte should enable fast lithium-ion transport and form stable interphases on electrodes simultaneously. In practice, however, improving one aspect often compromises another. For instance, the trend toward electrolytes forming anion-derived interphases typically reduces transport efficiency due to weak-solvating solvents. We propose that instead of relying on anions to form the interphase, leveraging both solvents and anions to form interphases can potentially lead to a balancing point between robust interphase formation and effective ion transport. Guided by this design principle, 2,2-difluoroethyl ethyl carbonate (DFDEC) was identified as the promising solvent. With the new electrolyte using DFDEC as the major solvent and lithium bis(fluorosulfonyl) imide (LiFSI) as the salt, graphite||LiNi 0.8 Mn 0.1 Co 0.1 O 2 (NMC811) full cells are capable of fast charging and demonstrate long-term cycling stability with a cutoff voltage of 4.5 V. Notably, the battery shows a capacity retention of 84.3% after 500 cycles with an average Coulombic efficiency (CE) as high as 99.93%. This new electrolyte also enables stable battery cycling across a wide temperature range (−20 to 60 °C), with excellent capacity retention.
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