Molecular Tuning of Ether Cosolvent Chemistry for High-Voltage Sodium-Ion Batteries

化学 腈 溶剂化 乙醚 表面改性 乙醚 电解质 四氢吡喃 碳酸乙烯酯 溶剂 组合化学 腈水合酶 化学稳定性 碳酸丙烯酯 有机化学 乙二醇 二甲醚 溶剂效应 化学工程 高分子化学
作者
Nagalakshmi Gayathri Maddala,Min‐Hao Pai,Tara Ingebrand,Arumugam Manthiram
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
卷期号:148 (27): 29037-29049 被引量:1
标识
DOI:10.1021/jacs.6c07263
摘要

Ethers as electrolyte cosolvents in sodium-ion batteries (SIBs) provide favorable Na + solvation and interfacial properties, but their low oxidative stability limits their use in high-voltage SIBs. Herein, we address this limitation via molecular tuning of ether cosolvents for high-voltage (4.2 V) hard carbon || NaNi 0.33 Fe 0.33 Mn 0.33 O 2 full cells. Tetrahydropyran (THP) is functionalized with a nitrile group to form tetrahydropyran-4-carbonitrile (THPCN). To delineate the effect of nitrile functionalization and benchmark ether against a conventional carbonate, THP, THPCN, and diethyl carbonate (DEC) are evaluated as cosolvents with ethylene carbonate. Nitrile functionalization lowers the HOMO energy of the ether, extends the electrolyte stability window, and alters Na + solvation. Spectroscopic techniques and molecular dynamics simulations reveal that THPCN exhibits predominantly aggregate-dominated solvation (95.1%) with weakened Na + -solvent interactions, producing the most anion-rich environment relative to DEC and THP cosolvents. THPCN-modified solvation promotes the formation of highly conductive, fluorine-enriched interphases that suppress parasitic reactions. Pouch full cells with THPCN sustained ∼600 cycles at 4.2 V, outperforming THP and DEC. Operando gas analysis reveals that THPCN reduces CO 2 generation by 45% and H 2 generation by 30% relative to THP. The findings demonstrate nitrile functionalization as a molecular design strategy to stabilize ethers and enable high-voltage SIBs.
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