Electrolyte design for LiF-rich solid–electrolyte interfaces to enable high-performance microsized alloy anodes for batteries

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作者
Ji Chen,Xiulin Fan,Qin Li,Hongbin Yang,M. Reza Khoshi,Yaobin Xu,Sooyeon Hwang,Long Chen,Xiao Ji,Changping Yang,Huixin He,Chongmin Wang,Eric Garfunkel,Dong Su,Oleg Borodin,Wang Chun-sheng
出处
期刊:Nature Energy [Springer Nature]
卷期号:5 (5): 386-397 被引量:656
标识
DOI:10.1038/s41560-020-0601-1
摘要

Lithium batteries with Si, Al or Bi microsized (>10 µm) particle anodes promise a high capacity, ease of production, low cost and low environmental impact, yet they suffer from fast degradation and a low Coulombic efficiency. Here we demonstrate that a rationally designed electrolyte (2.0 M LiPF6 in 1:1 v/v mixture of tetrahydrofuran and 2-methyltetrahydrofuran) enables 100 cycles of full cells that contain microsized Si, Al and Bi anodes with commercial LiFePO4 and LiNi0.8Co0.15Al0.05O2 cathodes. Alloy anodes with areal capacities of more than 2.5 mAh cm−2 achieved >300 cycles with a high initial Coulombic efficiency of >90% and average Coulombic efficiency of >99.9%. These improvements are facilitated by the formation of a high-modulus LiF–organic bilayer interphase, in which LiF possesses a high interfacial energy with the alloy anode to accommodate plastic deformation of the lithiated alloy during cycling. This work provides a simple yet practical solution to current battery technology without any binder modification or special fabrication methods. Chunsheng Wang and colleagues develop an electrolyte strategy to enable the use of commercially available microsized alloys, such as Si–Li, as high-performance battery anodes. They ascribe its success to the formation of robust LiF-rich layers as the solid–electrolyte interface.
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