エネルギー科学：極端な動作条件下におけるLiイオン電池の電解液設計

広く用いられているLiNi_0.8Mn_0.1Co_0.1O₂（NMC811）||グラファイト・リチウムイオン電池向けの理想的な電解液は、より高い電圧（4.5 V以上）、高速充電（15分以下）、広い温度範囲（±60°C）でのリチウムプレーティングを生じさせない充放電、非可燃性を維持する機能を持つことが期待される。しかし、これら全ての要件を満たす既存の電解液はなく、電池の性能と溶媒和構造と固体電解液界面相化学の間の関係に取り組むのに有効な指針がないために、電解液設計が阻まれている。今回我々は、弱いLi⁺–溶媒相互作用と十分な塩解離と望ましい電気化学のバランスを取って前述の全要件を満たす、一連のソフトな溶媒に基づく電解液設計戦略を報告・実証する。注目すべきことに、面積容量が2.5 mAh cm⁻²を超える4.5 VのNMC811||グラファイト・コイン型セルは、−50°C（−60°C）において0.1CのCレートで充放電すると、室温容量の75％（54％）を維持し、希薄電解液（2.5 g Ah⁻¹）を用いたNMC811||グラファイト・パウチ型セルは、−30°Cにおいて99.9％を超える平均クーロン効率で安定なサイクル動作を達成した。さらに、総合的な解析から、類似したフッ化リチウムリッチな界面相形成に起因する、NMC811カソードとグラファイトアノードの間のインピーダンス整合によって、低温でのリチウムプレーティングが効果的に回避されることが明らかになった。この電解液設計指針は、極端な条件下で動作する他のアルカリ金属イオン電池にも拡張できる。

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