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Molecular Wedge Reconstructing the Solvation Structure for Low-Temperature Ah-Level Anode-Free Sodium Metal Batteries

化学 溶剂化 电解质 过电位 化学物理 法拉第效率 位阻效应 分子间力 密度泛函理论 隐溶剂化 DLVO理论 热力学 化学工程 金属 溶剂化壳 分子动力学 平面的 对分布函数 电荷密度 极化率 物理化学 分子 电池(电)
作者
Jiawen Huang,Xingguo An,Zhongling Cheng,Jinlong Jiang,Yun Bai,Hua-Kun Liu,Jian Peng,Minghong Wu,Shi Xue Dou,Xueliang Sun,Chao Wu
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
卷期号:147 (50): 46594-46607 被引量:13
标识
DOI:10.1021/jacs.5c17927
摘要

Anode-free sodium metal batteries (AFSMBs) promise high energy density and cost-effectiveness, yet their all-climate practical implementation remains limited by sluggish low-temperature kinetics. Here, we report a molecular wedging strategy for electrolyte design to reconstruct the solvation structure, extending the wide-temperature function of high-energy-density AFSMBs and Ah-level pouch cells. The wedging effect is synergistically achieved by intermolecular interactions and steric hindrances, so that the noncoordinating and spatially bulky cosolvent “wedges” into the rigid solvation structure dominated by strongly solvating solvent, rendering both electrostatically and spatially disrupted coordination environments and local structural disordering for fast mass transport and facile charge transfer. Highly reversible Na plating/stripping with Coulombic efficiency up to 99.98% and long-term cycling stability with overpotential <30 mV are ensured across a wide temperature range from 25 °C to −40 °C. With reconciled wide-temperature kinetics and anion-dominant interfacial chemistry, the molecular-wedging electrolyte enables high-cathode-loading AFSMBs with a discharging capacity as high as 93 mAh g –1 (85% of its room-temperature theoretical capacity) and reversible cycling exceeding 205 cycles down to −40 °C. Remarkably, Ah-level C@All||Na 3 V 2 (PO 4 ) 3 anode-free pouch cells (up to 3 Ah) demonstrate stable wide-temperature operation, yielding a high energy density of 170 Wh kg –1 and a cumulative cycling capacity of 690 Ah at an ultralow temperature of −40 °C, while a 2.5 Ah C@All||NaNi 1/3 Fe 1/3 Mn 1/3 O 2 anode-free pouch cell achieves a further elevated energy density of 184 Wh kg –1 based on total cell weight within a cutoff voltage of 2.0–4.2 V.
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