Fluorinated Co-solvent Enabled Localized High-concentration Electrolyte for High-voltage Lithium Metal Batteries

doi:10.7503/cjcu20260132

Abstract

Abstract:

Lithium metal is regarded as one of the most promising anode materials for next- generation high-energy-density batteries because of its ultrahigh theoretical specific capacity and low electrochemical potential. However， the practical application of high-voltage lithium metal batteries（LMBs） is still severely hindered by uncontrolled lithium dendrite growth， unstable solid electrolyte interphase（SEI）， and the poor oxidative stability of conventional ether-based electrolytes. Herein， a localized high-concentration electrolyte（LHCE） is constructed by introducing the fluorinated co-solvent 1，1，2，2-tetrafluoroethyl-2，2，3，3-tetrafluoropropyl ether（TTE）. Combined molecular dynamics simulations and in-situ optical microscopy reveal that the strong electronegativity of fluorine atoms in TTE effectively regulates the anion coordination structure， promotes the formation of an inorganic-rich SEI， markedly improves Li⁺ transport kinetics， and suppresses lithium dendrite growth. Electrochemical measurements show that the Li||Cu half-cell with LHCE delivers an average Coulombic efficiency of 98.5% after 670 cycles at 0.5 mA/cm². The full cells based on LHCE also exhibit excellent electrochemical performance： the Li||LFP cell retains 97.4% of its capacity after 400 cycles at 1.0C， while the Li||NCM811 cell maintains 68.8% capacity retention after 500 cycles at 1.0C. This work provides an effective strategy for electrolyte design and interfacial regulation in high-voltage LMBs.

Key words: Lithium metal battery, Localized high-concentration electrolyte, 1, 1, 2, 2-Tetrafluoroethyl-2, 2, 3, 3-tetrafluoropropyl ether（TTE） cosolvent, Interphase regulation, Electrochemical performance

CLC Number:

O646

TrendMD:

HUANG Dequan, YANG Fujian, CHEN Yuanhua, ZHANG Man, YIN Guangda, WEI Tao, MO Haoyue, MO Xiaomin, LIANG Yi. Fluorinated Co-solvent Enabled Localized High-concentration Electrolyte for High-voltage Lithium Metal Batteries[J]. Chem. J. Chinese Universities, 2026, 47(10): 20260132.

Figures/Tables 5

References 46

[1]	Zhang D.， Gu R.， Yang Y.， Ge J.， Xu J.， Xu Q.， Shi P.， Liu M.， Guo Z.， Min Y.， Angew. Chem. Int. Ed.， 2024， 63（13）， e202315122
[2]	Zhu X.， Chen J.， Liu G.， Mo Y.， Xie Y.， Zhou K.， Wang Y.， Dong X.， Angew. Chem. Int. Ed.， 2025， 64（1）， e202412859
[3]	Kreth F. A.， Köps L.， Leibing C.， Darlami Magar S.， Hermesdorf M.， Schutjajew K.， Neumann C.， Leistenschneider D.， Turchanin A.， Oschatz M.， Gómez Urbano J. L.， Balducci A.， Adv. Energy Mater.， 2024， 14（13）， 2303909
[4]	Jiang T.， Shen D.， Zhang Z.， Liu H.， Zhao G.， Wang Y.， Tan S.， Luo R.， Chen W.， Nature Reviews Clean Technology， 2025， 1（7）， 474—492
[5]	Su C. C.， He M.， Cai M.， Shi J.， Amine R.， Rago N. D.， Guo J.， Rojas T.， Ngo A. T.， Amine K.， Nano Energy， 2022， 92（3）， 106720—106726
[6]	Cheng H.， Sun Q.， Li L.， Zou Y.， Wang Y.， Cai T.， Zhao F.， Liu G.， Ma Z.， Wahyudi W.， Li Q.， Ming J.， ACS Energy Lett.， 2022， 6（2）， 490—513
[7]	Zhang K.， Wu F.， Zhang K.， Weng S.， Wang X.， Gao M.， Sun Y.， Cao D.， Bai Y.， Xu H.， Wang X.， Wu C.， Energy Stor. Mater.， 2021， 41， 485—494
[8]	Zhu C.， Sun C.， Li R.， Weng S.， Fan L.， Wang X.， Chen L.， Noked M.， Fan X.， ACS Energy Lett.， 2022， 7（4）， 1338—1347
[9]	Li Z.， Huang X.， Kong L.， Qin N.， Wang Z.， Yin L.， Li Y.， Gan Q.， Liao K.， Gu S.， Zhang T.， Huang H.， Wang L.， Luo G.， Cheng X.， Lu Z.， Energy Stor. Mater.， 2022， 45， 40—47
[10]	Jiang Z.， Li C.， Mo J.， Yang H.， Li H. W.， Zhang Q.， Li Y.， Chem. Eng. J.， 2023， 451（1）， 138580
[11]	Zhu Z.， Jiang T.， Ali M.， Meng Y.， Jin Y.， Cui Y.， Chen W.， Chem. Rev.， 2022， 122（22）， 16610—16751
[12]	Wang H.， Wei P.， Wang J.， Wang D.， Chem. Res. Chinese Universities， 2024， 40（3）， 428—436
[13]	Saroha R.， Cho J. S.， Small Methods， 2022， 6（5）， 2200049—2200064
[14]	Li Y.， Xiao X.， Zhang L.， Yan B.， Tao H.， Yang X.， Chem. Eng. J.， 2024， 491， 151922
[15]	Lee K.， Kwon S. H.， Kim J.， Park E.， Kim I.， Ahn H. C.， Coskun A.， Choi J. W.， ACS Energy Lett.， 2024， 9（5）， 2201—2211
[16]	Zhang Y.， Cao Y.， Zhang B.， Gong H.， Zhang S.， Wang X.， Han X.， Liu S.， Yang M.， Yang W.， Sun J.， ACS Nano， 2024， 18（22）， 14764—14778
[17]	Wang W.， Liu Z.， Zhu Z.， Ma Y.， Zhang K.， Meng Y.， Ahmad T.， Khan N. A.， Peng Q.， Xie Z.， Zhang Z.， Chen W.， Nat. Sustain.， 2025， 8（3）， 287—296
[18]	Li M.， Chen Y.， Wu S.， Wang W.， Zhou J.， Fu Q.， Xiao P.， Liu J.， Angew. Chem. Int. Ed.， 2025， 64（48）， e202514299
[19]	Li Y.， Liu M.， Wang K.， Li C.， Lu Y.， Choudhary A.， Ottley T.， Bedrov D.， Xing L.， Li W.， Adv. Energy Mater.， 2023， 12（10）， 2300918
[20]	Chen S.， Fan J.， Cui Z.， Tan L.， Ruan D.， Zhao X.， Jiang J.， Jiao S.， Ren X.， Angew. Chem. Int. Ed.， 2023， 62（23）， e202219310
[21]	Huang D.， Zeng C.， Liu M.， Chen X.， Li Y.， Zou J.， Pan Q.， Zheng F.， Wang H.， Li Q.， Hu S.， Small， 2025， 21（10）， 2412259
[22]	Chen P.， Yuan X.， Xia Y.， Zhang Y.， Fu L.， Liu L.， Yu N.， Huang Q.， Wang B.， Hu X.， Wu Y.， Ree T.， Adv. Sci.， 2021， 8（11）， 2100309
[23]	Wu Y.， Qiu B.， Huang J.， Huang K.， Wen J.， Wei H.， Zhang P.， He C.， Mi H.， Energy Stor. Mater.， 2025， 75（11）， 103989—103997
[24]	Li Y.， Wen B.， Li N.， Zhao Y.， Chen Y.， Yin X.， Da X.， Ouyang Y.， Li X.， Kong P.， Ding S.， Xi K.， Gao G.， Angew. Chem. Int. Ed.， 2025， 64（2）， e202414636
[25]	Liang Y.， Zhou Y.， Wei T.， Yin G.， Yao Y.， Pan Q.， Zheng F.， Wang H.， Li Q.， Hu S.， Huang D.， Rare Metals， 2025， 44（11）， 8416—8428
[26]	Zhao R.， Li X.， Si Y.， Tang S.， Guo W.， Fu Y.， Energy Stor. Mater.， 2021， 37（10）， 1—7
[27]	Tan Y. H.， Lu G. X.， Zheng J. H.， Zhou F.， Chen M.， Ma T.， Lu L. L.， Song Y. H.， Guan Y.， Wang J.， Liang Z.， Xu W. S.， Zhang Y.， Tao X.， Yao H. B.， Adv. Mater.， 2021， 33（42）， 2102134—2102145
[28]	Wang Y.， Meng Y.， Zhang Z.， Guo Y.， Xiao D.， ACS Appl. Mater. Interfaces， 2021， 13（14）， 16545—16557
[29]	Wang Z.， Chen C.， Wang D.， Zhu Y.， Zhang B.， Angew. Chem. Int. Ed.， 2023， 62（28）， e202303950
[30]	Huang D.， Liang Y.， Wei T.， Yin G.， Zhou Y.， Hu S.， Pan Q.， Zheng F.， Li Q.， Chen Y.， Wang H.， J. Colloid Interface Sci.， 2025， 690， 137300—137312
[31]	Yuan X.， Chen X.， Zhou Y.， Yu Z.， Kong X.， J. Energy Chem.， 2025， 102， 52—62
[32]	Ren X.， Zou L.， Jiao S.， Mei D.， Engelhard M. H.， Li Q.， Lee H.， Niu C.， Adams B. D.， Wang C.， Liu J.， Zhang J. G.， Xu W.， ACS Energy Lett.， 2019， 4（4）， 896—902
[33]	Lin W.， Li J.， Wang J.， Gu K.， Li H.， Xu Z.， Wang K.， Wang F.， Zhu M.， Fan Y.， Wang H.， Tao G.， Liu N.， Ding M.， Chen S.， Wu J.， Tang Y.， Small， 2023， 11， 2207093
[34]	Peng X.， Lin Y.， Wang Y.， Li Y.， Zhao T.， Nano Energy， 2022， 96（5）， 107102—107111
[35]	Qiao R.， Zhao Y.， Zhou S.， Zhang H.， Liu F.， Zhou T.， Sun B.， Fan H.， Li C.， Zhang Y.， Liu F.， Ding X.， Wook Choi J.， Coskun A.， Song J.， Chem， 2024， 11（2）， 102306—102318
[36]	Hai F.， Ban Y.， Huang Z.， Xue W.， Yang Y.， Yan W.， Hua W.， Li M.， Tang W.， Zhang S.， Energy Stor. Mater.， 2025， 81， 104534
[37]	Zhang G.， Deng X.， Li J.， Wang J.， Shi G.， Yang Y.， Chang J.， Yu K.， Chi S. S.， Wang H.， Wang P.， Liu Z.， Gao Y.， Zheng Z.， Deng Y.， Wang C.， Nano Energy， 2022， 95（42）， 107014—107024
[38]	Zhao Y.， Zhou T.， Ashirov T.， Kazzi M. E.， Cancellieri C.， Jeurgens L. P. H.， Choi J. W.， Coskun A.， Nat. Commun， 2022， 13（1）， 2575
[39]	Xu Z.， Zhang X.， Yang J.， Cui X.， Nuli Y.， Wang J.， Nat. Commun， 2024， 15（1）， 9856
[40]	Li N.， Han X.， Cui X.， Xu C.， Mao C.， Dai X.， Xue W.， Adv. Funct. Mater.， 2024， 35（1）， 2409431
[41]	Perez Beltran S.， Cao X.， Zhang J. G.， Balbuena P. B.， Chem. Mater.， 2020， 32（14）， 5973—5984
[42]	Yang T.， Li L.， Zou J.， Yao Y.， Zhang Q.， Jiang Z.， Li Y.， Adv. Funct. Mater.， 2024， 34（39）， 2404945
[43]	Cai W.， Deng Y.， Deng Z.， Jia Y.， Li Z.， Zhang X.， Xu C.， Zhang X. Q.， Zhang Y.， Zhang Q.， Adv. Energy Mater.， 2023， 13（31）， 2301396
[44]	Choi I. R.， Chen Y.， Shah A.， Florian J.， Serrao C.， Holoubek J.， Lyu H.， Zhang E.， Lee J. H.， Lin Y.， Kim S. C.， Park H.， Zhang P.， Lee J.， Qin J.， Cui Y.， Bao Z.， Nat. Energy， 2025， 15（9）， 224—237
[45]	Yu Z.， Rudnicki P. E.， Zhang Z.， Huang Z.， Celik H.， Oyakhire S. T.， Chen Y.， Kong X.， Kim S. C.， Xiao X.， Wang H.， Zheng Y.， Kamat G. A.， Kim M. S.， Bent S. F.， Qin J.， Cui Y.， Bao Z.， Nat. Energy， 2022， 7（1）， 94—106
[46]	Wu Z.， Li R.， Zhang S.， Lv L.， Deng T.， Zhang H.， Zhang R.， Liu J.， Ding S.， Fan L.， Chen L.， Fan X.， Chem， 2022， 9（3）， 650—664