Multifunctional Additive for Electrolyte Stabilization and Electrode/Electrolyte Interphase Regulation in High-Voltage Lithium Metal Batteries

电解质 材料科学 金属锂 相间 电极 锂(药物) 金属 无机化学 化学工程 冶金 化学 医学 物理化学 生物 工程类 遗传学 内分泌学
作者
Heyuan Sun,Yue Dong,Kai Zhang,Lu Gao,Xiujuan Chen,Xiaopeng Pei,Ying Tan
出处
期刊:ACS Applied Materials & Interfaces [American Chemical Society]
卷期号:17 (17): 25337-25347 被引量:1
标识
DOI:10.1021/acsami.5c01618
摘要

Lithium-metal batteries (LMBs) incorporating nickel-rich cathodes have the potential to achieve superior energy densities. However, challenges associated with the electrolyte-electrode interphases (EEIs) have impeded the successful transition of these advanced systems into practical applications. In this study, azidotrimethylsilane (ATMS) is introduced as a multifunctional additive for traditional carbonate-based electrolytes. The azido group in ATMS plays a dual role in electrochemical reactions, with multiple nitrogen (N) atoms engaging in both nucleophilic and electrophilic interactions. These N atoms tend to undergo preferential oxidation reactions at the cathode, forming a stable cathode electrolyte interphase, while also undergoing preferential reduction reactions at the anode to inhibit lithium dendrite growth. The Si-N bond in the ATMS structure has unique reactivity, effectively neutralizing HF produced from LiPF6 decomposition, thus preventing the recurrent formation of EEIs in the battery. As a result, the long-cycle performance of Li||NCM811 is significantly improved, with capacity retention increasing from 34.7% in baseline electrolyte to 82.6% after 600 cycles. Similarly, ATMS enhances the cycling performance of Li||Li symmetric cells, extending their lifespan to over 800 h, and improves the Coulombic efficiency of Li||Cu cells from 81.6 to 91.6%. The synergistic effect of ATMS on both anodes and cathodes further significantly enhances the high-voltage performance of the LMBs.
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