Fluorinated Cyclic Phosphorus(III)-Based Electrolyte Additives for High Voltage Application in Lithium-Ion Batteries: Impact of Structure–Reactivity Relationships on CEI Formation and Cell Performance

材料科学 锂(药物) 电解质 反应性(心理学) 离子 无机化学 化学工程 电极 有机化学 物理化学 化学 冶金 病理 内分泌学 替代医学 工程类 医学
作者
Natascha von Aspern,Diddo Diddens,Takeshi Kobayashi,Markus Börner,Olesya Stubbmann‐Kazakova,Volodymyr Kozel,Gerd‐Volker Röschenthaler,Jens Smiatek,Martin Winter,Isidora Cekić-Lasković
出处
期刊:ACS Applied Materials & Interfaces [American Chemical Society]
卷期号:11 (18): 16605-16618 被引量:42
标识
DOI:10.1021/acsami.9b03359
摘要

Two selected and designed fluorinated cyclic phosphorus(III)-based compounds, namely 2-(2,2,3,3,3-pentafluoropropoxy)-1,3,2-dioxaphospholane (PFPOEPi) and 2-(2,2,3,3,3-pentafluoro-propoxy)-4-(trifluormethyl)-1,3,2-dioxaphospholane (PFPOEPi-1CF3), were synthesized and comprehensively characterized for high voltage application in lithium-ion batteries (LIBs). Cyclic voltammetry (CV) and constant current cycling were conducted, followed by post mortem analysis of the NMC111 electrode surface via scanning electron microscopy (SEM) and X-ray photoelectron spectroscopy (XPS). To support and complement obtained experimental results, density functional theory (DFT) calculations and molecular dynamics (MD) simulations were performed. Theoretical and experimental findings show that the considered phospholane molecule class enables high voltage LIB application by sacrificial decomposition on the cathode surface and involvement in the formation of a cathode electrode interphase (CEI) via polymerization reaction. In addition, obtained results point out that the introduction of the CF3 group has a significant influence on the formation and dynamics of the CEI as well as on the overall cell performance, as the cell impedance as well as the thickness of the CEI is increased compared to the cells containing PFPOEPi, which results in a decreased cycling performance. This systematic approach allows researchers to understand the structure-reactivity relationship of the newly synthesized compounds and helps to further tailor the vital physicochemical properties of functional electrolyte additives relevant for high voltage LIB application.
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