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Mechanistic Insights into the Interactions between a New Type of Hard Carbon Anode and Organic Electrolytes in Sodium-Ion Batteries

电解质 法拉第效率 阳极 材料科学 电化学 X射线光电子能谱 化学工程 化学 物理化学 电极 工程类
作者
Shunzhang You,Qiang Deng,Qimeng Zhang,Kevin Huang,Chenghao Yang
出处
期刊:ACS Sustainable Chemistry & Engineering [American Chemical Society]
卷期号:11 (28): 10590-10597 被引量:6
标识
DOI:10.1021/acssuschemeng.3c03102
摘要

Hard carbons (HCs) are a promising class of anode material for sodium-ion batteries (SIBs) since they exhibit excellent initial Coulombic efficiency (ICE) and rate performance with glyme-based electrolytes. However, the mechanisms behind such an excellent cell performance remain ambiguous. Herein, we report on a combined experimental and theoretical study to understand how and why a new type of biomass-derived hard carbon has good compatibility with the glyme-based electrolyte vs ester-based counterpart. We first show with theoretical molecular dynamics (MD) simulations that the solvation structure of glyme-Na+ has high binding energy and large volume, thus repelling the anion (from the Na salt) away from attacking the HC anode and promoting the formation of a stable solid electrolyte interface (SEI) layer. We then show X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) analysis, revealing a higher concentration of inorganic materials in the SEI formed with glyme-based electrolyte. We also employ micromechanical testing in combination with MD simulations to demonstrate that the glyme-derived SEI possesses a higher Young's modulus and uniform interfacial stress distribution than the ester-based counterpart. Because of these unique properties, the new HC anode with the glyme-based electrolyte exhibits excellent electrochemical performance, e.g., 332.8 mAh g–1 at 0.05 C in the initial cycle with 93.4% initial Coulombic efficiency (ICE), 81% capacity retention rate after 1000 cycles at 1.0 C, and 245 mAh g–1 rate performance at 1.0 C.
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