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Novel Urea-Based Molecule Functioning as a Solid Electrolyte Interphase Enabler and LiPF6 Decomposition Inhibitor for Fast-Charging Lithium Metal Batteries

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作者
Pan Zhou,Yingchun Xia,Yuhao Wu,Wenhui Hou,Yang Lu,Shuai Shuai Yan,Hangyu Zhou,Weili Zhang,Kai Liu
出处
期刊:ACS Applied Materials & Interfaces [American Chemical Society]
卷期号:14 (34): 38921-38930 被引量:19
标识
DOI:10.1021/acsami.2c11403
摘要

The practical application of lithium metal batteries is impeded by the growth of dendrites and decomposition of electrolytes especially at high temperature in normal carbonate-based electrolytes. Herein, a novel urea-based molecule, 1,3-dimethyl-2-imidazolidinone (DMI), with a high donor number is proposed, which exhibits an extraordinary solubility of LiNO3 of over 5 M. As a result, a sufficient amount of LiNO3 is readily introduced into the carbonate electrolytes with DMI as an additive, and an average coulombic efficiency of 99.1% for lithium plating/stripping is achieved due to a stable solid electrolyte interphase (SEI) rich in inorganic-rich lithium salts. The Li||Li symmetric cell achieves a stable operation for over 2500 h at 0.5 mA cm-2 and 1 mAh cm-2, and a granular shape of deposited Li metal is still preserved even at a high current density of 10 mA cm-2. Besides, the decomposition of LiPF6 is inhibited benefiting from its enhanced dissociation after the addition of DMI/LiNO3 and DMI's function as a PF5 scavenger. Consequently, the Li||LiFePO4 cell succeeds to achieve an excellent capacity retention of 95.6% after 2200 cycles at a high rate of 5C, and a stable operation is realized at a high temperature of 60 °C even under harsh conditions (45 μm ultrathin Li and ∼1.5 mAh cm-2 LiFePO4). This work enriches the solvents and additives pool for stable and high-performance lithium metal batteries and will shed light on future developments of advanced battery electrolytes.
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