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Mechanistic Study of Functional Electrolyte Solvents for High-Voltage Lithium Batteries

电化学 材料科学 阴极 电解质 电池(电) 锂(药物) 溶解 金属锂 密度泛函理论 化学工程 分解 碳酸丙烯酯 有机硅 纳米技术 无机化学 锂电池 有机自由基电池 过渡金属 纳米颗粒 金属 电化学电位 电极
作者
Motaher Hossain,Ljalem Hadush Abrha,Amir Abdul Razzaq,R. E. Ogilvie,William C. Dirks,Haiden Studer,Christopher Poches,Bhubnesh Lama,Himal Oli,Santosh R. P. Bandlamudi,Xuguang Li,Krzysztof Pupek,Zhenzhen Yang,Tula R. Paudel,Weibing Xing
出处
期刊:ACS Applied Materials & Interfaces [American Chemical Society]
卷期号:17 (41): 57215-57225 被引量:1
标识
DOI:10.1021/acsami.5c16368
摘要

The pervasive use of Ni-rich cathode active materials, e.g., LiNi0.8Mn0.1Co0.1O2 (NMC811), for high-energy-density Li-ion batteries (LIBs) has been hindered by rapid battery capacity decay when cycled with high charge cutoff voltages due to electrolyte decomposition in the conventional carbonate solvent-based electrolytes, oxidative parasitic side reactions at the electrolyte/cathode interface, and irreversible phase changes in the cathode active materials leading to dissolution of transition metals into the electrolytes. Various functional electrolyte solvents have been studied to tackle the above technical challenges, yet the roles of individual solvents in the performance of LIBs remain poorly understood. In this study, we systematically investigate electrochemical performance mechanisms of fluorinated and organosilicon single solvents and cosolvents, for the first time, in high-voltage Li/NMC811 batteries, using electrochemical and analytical characterizations and density functional theory modeling. We observe that some unique combinations of the functional solvents can lead to exceptionally stable high-voltage cycle performance in the Ni-rich cathode-based LIBs. Our mechanistic study reveals that the synergistic effect of solvents plays a vital role in enabling electrochemical stability at both the Ni-rich cathode and the Li metal anode. Understanding the electrochemical performance mechanisms of functional solvents can greatly help in designing and formulating advanced electrolytes that enable the development of high-voltage, high-energy-density, long-cycle-life lithium batteries.
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