50C Fast‐Charge Li‐Ion Batteries using a Graphite Anode

电解质 材料科学 阳极 石墨 离子 化学工程 离子电导率 电极 复合材料 有机化学 物理化学 化学 工程类
作者
Chuangchao Sun,Xiao Ji,Suting Weng,Ruhong Li,Xiaoteng Huang,Chunnan Zhu,Xuezhang Xiao,Tao Deng,Li‐Wu Fan,Lixin Chen,Xuefeng Wang,Chunsheng Wang,Xiulin Fan
出处
期刊:Advanced Materials [Wiley]
卷期号:34 (43) 被引量:165
标识
DOI:10.1002/adma.202206020
摘要

Li-ion batteries have made inroads into the electric vehicle market with high energy densities, yet they still suffer from slow kinetics limited by the graphite anode. Here, electrolytes enabling extreme fast charging (XFC) of a microsized graphite anode without Li plating are designed. Comprehensive characterization and simulations on the diffusion of Li+ in the bulk electrolyte, charge-transfer process, and the solid electrolyte interphase (SEI) demonstrate that high ionic conductivity, low desolvation energy of Li+ , and protective SEI are essential for XFC. Based on the criterion, two fast-charging electrolytes are designed: low-voltage 1.8 m LiFSI in 1,3-dioxolane (for LiFePO4 ||graphite cells) and high-voltage 1.0 m LiPF6 in a mixture of 4-fluoroethylene carbonate and acetonitrile (7:3 by vol) (for LiNi0.8 Co0.1 Mn0.1 O2 ||graphite cells). The former electrolyte enables the graphite electrode to achieve 180 mAh g-1 at 50C (1C = 370 mAh g-1 ), which is 10 times higher than that of a conventional electrolyte. The latter electrolyte enables LiNi0.8 Co0.1 Mn0.1 O2 ||graphite cells (2 mAh cm-2 , N/P ratio = 1) to provide a record-breaking reversible capacity of 170 mAh g-1 at 4C charge and 0.3C discharge. This work unveils the key mechanisms for XFC and provides instructive electrolyte design principles for practical fast-charging LIBs with graphite anodes.
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