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Revealing Principles for Design of Lean-Electrolyte Lithium Metal Anode via In Situ Spectroscopy

电解质 化学 成核 阳极 锂(药物) 电化学 化学工程 介电谱 电极 物理化学 医学 工程类 内分泌学 有机化学
作者
Huan Li,Dongliang Chao,Biao Chen,Xiao Chen,Clarence Chuah,Youhong Tang,Yan Jiao,Mietek Jaroniec,Shi‐Zhang Qiao
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
卷期号:142 (4): 2012-2022 被引量:188
标识
DOI:10.1021/jacs.9b11774
摘要

Lean-electrolyte conditions are highly pursued for practical lithium (Li) metal batteries. The previous studies on the Li metal anodes, in general, exhibited good stability with a large excess of electrolyte. However, the targeted design of Li hosts under relatively low electrolyte conditions has been rarely studied so far. Herein, we have shown that electrolyte consumption severely affects the cycling stability of Li metal anode. Considering carbon hosts as typical examples, we innovatively employed in situ synchrotron X-ray diffraction, in situ Raman spectroscopy, and theoretical computations to obtain a better understanding of the Li nucleation/deposition processes. We also showed the usefulness of in situ electrochemical impedance spectra to analyze interfacial fluctuation at the Li/electrolyte interface, together with nuclear magnetic resonance data to quantify electrolyte consumption. We have found that uneven Li nucleation/deposition and the crack of surface-area-derived solid-electrolyte interface (SEI) layer both lead to a great consumption of electrolyte. Then, we suggested a design principle for Li host to overcome the electrolyte loss, that is, uneven growth of the Li structure and the crack of the SEI layer must be simultaneously controlled. As a proof of concept, we demonstrated the usefulness of a 3D low-surface-area defective graphene host (L-DG) to control Li nucleation/deposition and stabilize the SEI layer, contributing to a highly reversible Li plating/stripping. As a result, such a Li host can achieve stable cycles (e.g., 1.0 mAh cm-2) with a low electrolyte loading (10 μL). This work demonstrates the necessity to design Li metal anodes under lean-electrolyte conditions and brings Li metal batteries a step closer to their practical applications.
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