Fluorinated Imidazolidinium Cations as a Fluorine-Lean Interface Repairing Agent for Li-Metal Batteries

材料科学 阳极 法拉第效率 电解质 阴极 金属 化学工程 沉积(地质) 离子电导率 无机化学 物理化学 冶金 化学 电极 工程类 古生物学 沉积物 生物
作者
Yuchen Yang,Tevin Li,Hou Runqiao,Kaixin Ren,Shouyi Yuan,Junwei Lucas Bao,Yonggang Wang
出处
期刊:ACS Applied Materials & Interfaces [American Chemical Society]
标识
DOI:10.1021/acsami.5c12646
摘要

Li-metal batteries promise ultrahigh energy density, but their application is limited by Li-dendrite growth. Theoretically, fluorine-containing anions such as bis(fluorosulfonyl)imide (FSI-) in electrolytes can be reduced to form LiF-rich solid-electrolyte interphases (SEIs) with high Young's modulus and ionic conductivity that can suppress dendrites. However, the anions migrate toward the cathode during the charging process, accompanied by a decrease in the concentration of interfacial anions near the anode surface. This will create a fluorine-lean (F-lean) interface and an uneven SEI. Herein, we propose an F-lean interface repairing agent utilizing the fluorinated ionic liquid 2-fluoro-1,3-dimethylimidazolidinium hexafluorophosphate ([f-Im+][PF6-]). The [f-Im+] cations could migrate to the Li-metal anode along with Li+ during the Li-deposition process and be decomposed prior to Li deposition, thus repairing the F-lean interface and forming a dense and F-enriched SEI layer on the Li-metal anode. Further theoretical calculations suggest that after fluorine substitution, the fluorinated imidazolidinium cations are more thermally vulnerable to be decomposed to form a LiF-rich SEI. Consequently, an ultrahigh Coulombic efficiency (CE) of Li deposition over 99.5% and stable cycling of Li||NCM811 full cells over 100 times have been achieved even with an N/P ratio of 1.
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