Stable interphase inducer based on montmorillonite clay mineral to enhance stability and fire safety for lithium metal batteries

材料科学 电解质 蒙脱石 化学工程 法拉第效率 阴极 相间 热稳定性 阻燃剂 复合材料 电极 化学 物理化学 生物 工程类 遗传学
作者
Taehoon Kim
出处
期刊:Journal of Colloid and Interface Science [Elsevier BV]
卷期号:671: 631-642 被引量:2
标识
DOI:10.1016/j.jcis.2024.05.126
摘要

Heat buildup from factors like mechanical, electrical, or thermal stress is the main safety issue in lithium metal batteries (LMBs). Even without such stressors, however, LMBs may remain fire-prone because of the development of unstable electrode–electrolyte interphase on charge–discharge, potentially leading to internal short circuits. In this study, a stable cathode-electrolyte interphase inducer (SCEI-I) is proposed to tackle both the cycling stability issue and safety concerns. SCEI-I is synthesized by incorporating montmorillonite, a clay mineral, and methylphosphonic acid dimethyl ester, a flame-retardant material, onto a porous polyethylene film. On cycling, SCEI-I can induce a thin (<8 nm), uniform and robust cathode-electrolyte interphase layer, contributing to a steady and high Coulombic efficiency of 99.6%–99.8% with decreased impedance. SCE-I improves electrochemical performance by reducing the capacity degradation from ∼21.9% to ∼8.9% after 100 cycles. SCE-I also demonstrates strong thermal stability as the endothermic energy of SCEI-I is only –32.4 J/g (24 °C–280 °C), which is less than one-third of that of polypropylene separator (–118.9 J/g). Furthermore, when exposed to fire, the SCEI-I membrane instantly extinguished flames by disrupting combustion chain reaction. The present study proposes an interfacial engineering approach to improve the stability and safety of LMBs.
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