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Regulating Amine Substitution in Fluorosulfonyl-Based Flame-Retardant Electrolytes for Energy-Dense Lithium Metal Batteries

化学 锂(药物) 电解质 阳极 法拉第效率 溶剂化 无机化学 化学工程 有机化学 溶剂 物理化学 电极 工程类 医学 内分泌学
作者
Lan‐Qing Wu,Zhe Li,Huamei Li,Ji Zhang,Yong Li,Shuangxin Ren,Zhenyu Fan,Xiaotian Wang,Kun Li,Zhen Liu,Jie Zhang,Junlong Yang,Yawen Li,Shou‐Hang Bo,Qing Zhao
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
卷期号:147 (19): 16506-16521 被引量:3
标识
DOI:10.1021/jacs.5c03606
摘要

Sulfone-based electrolytes offer unusually high anodic and thermal stability that in principle makes them promising candidates for fabricating energy-dense lithium metal batteries (LMBs). Their uses in practical batteries are currently limited by their inability to sustain long-term Li metal plating/stripping processes due to their high reactivity toward the Li metal. Here, we report on the design and synthesis of a unique family of fluorosulfonyl group-based (FSO2-) molecules, modified with ethyl (FSE)/N,N-dimethyl (FSNDM)/N,N-diethyl (FSNDE)/N-pyrrolidine (FSNP) end groups to create exceptionally stable single-salt single-solvent electrolytes. The flammability, solvation structure, ion transport, Li metal deposition kinetics, and high-voltage stability of the electrolytes are systematically studied. It is shown that the electrolytes are nonflammable, possess weak solvation characteristics, yet manifest high room-temperature ionic conductivities (1.6-6.1 mS cm-1) and low solution viscosities. In comparison to FSE, the FSNDM-, FSNDE-, and FSNP-based electrolytes exhibit an exceptionally reversible Coulombic efficiency for Li metal plating/stripping (>99.71% over 800 cycles) and exhibit typical oxidative stability at voltages exceeding 4.6 V. Deployed as electrolytes in Li metal batteries (20 μm Li anode and 3 g A h-1 electrolyte) with high-loading (18.5 mg cm-2) LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2 cathodes, 329 cycles have been achieved before 80% capacity retention. Six Ah Li metal pouch cells based on the designed electrolytes also exhibit high stability and high energy density (496 W h kg-1) for over 150 cycles with at most 2.7% volume expansion. Our findings demonstrate that through an intentional molecular design, sulfone electrolytes provide a robust route toward nonflammable Li metal compatible electrolytes with practical high-voltage cathodes.
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