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Weakening solvent polarity enables shuttle-effect-free and temperature-independent lithium-organic batteries

法拉第效率 电解质 材料科学 锂(药物) 阳极 阴极 金属锂 溶解 有机自由基电池 化学工程 无机化学 电极 化学 工程类 内分泌学 物理化学 医学
作者
Mengying Wang,Tao Liu,Xiaofan Du,Youlong Sun,Luohao Wang,Zengqi Zhang,Xiaogang Wang,Guanglei Cui
出处
期刊:Energy Storage Materials [Elsevier BV]
卷期号:60: 102816-102816 被引量:9
标识
DOI:10.1016/j.ensm.2023.102816
摘要

Lithium-organic batteries feature transition-metal-free cathode, resource sustainability and low cost, showing great potential to be substitutes for lithium-ion batteries that greatly depend on scarce natural resources. However, lithium-organic batteries are plagued by the shuttle effect and unstable Li metal anodes, especially under extreme operating conditions. High-concentration or localized high-concentration electrolytes may mitigate these problems, but at the expense of high-cost and environmental concerns. Herein, we propose a standard-concentration electrolyte that shows excellent compatibility with both organic active materials (shuttle-effect-free) and Li metal anodes (Coulombic efficiency ∼ 99.52%) by weakening the solvent polarity. It demonstrates that the introduction of the nonpolar n-heptane can simultaneously inhibit the dissolution of perylene-3,4,9,10-tetracarboxylic dianhydride (PTCDA) and restrain side reactions between electrolyte solvents and Li metal, as well as weaken the affinity between solvents and Li+. The PTCDA|Li batteries retain 98.2% capacity after 200 cycles with an average Coulombic efficiency of 99.97%, and also show high cycling stability from −40 to +60 °C. With the replacement of traditional electrolyte by our electrolyte, the energy density of PTCDA|Li pouch-cells increases by 13.9% under identical conditions. Furthermore, our electrolyte can be extended to other (Li-sulfur, Li-FeS) batteries encountering the dilemma of the shuttle effect and unstable Li anodes.
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