Spatiochemical Segregationin Porous Lithium–MetalInterphases

化学 多孔性 化学工程 多孔介质 矿物学 农业 复合材料 聚合物 磁导率 X射线晶体学
作者
Weilai Yu,Hao Lyu,Donglin Li,Kuan-Yu Lin,Jacob Florian,Yukio Cho,Xin Xu,Yuelang Chen,Hongchang Hao,Chengyi Xu,Dennis Nordlund,Jagjit Nanda,Jian Qin,Yi Cui,Zhenan Bao
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
卷期号:148 (23): 24084-24095 被引量:1
标识
DOI:10.1021/jacs.6c04430
摘要

Abstract The solid–electrolyte interphase (SEI) on lithium metal forms through electrolyte reduction at a dynamically evolving metal surface, yet how its chemistry and spatial organization develop during lithium plating and stripping remains poorly understood. Here, using a 1,2-dimethoxyethane (DME)/1 M lithium bis(fluorosulfonyl)imide (LiFSI) electrolyte system, we show that three-dimensional lithium growth drives spatiochemical segregation of interphase products into chemically heterogeneous domains that are mechanically reorganized during stripping into a porous electrolyte-retaining framework. Correlative X-ray photoelectron spectroscopy, scanning electron microscopy, nanoscale secondary ion mass spectrometry (NanoSIMS), and synchrotron X-ray absorption spectroscopy reveal that FSI–-derived inorganic species, dominated by LiF, become enriched in regions spatially decoupled from oxygen-containing phases near the lithium surface. Stripping-induced contraction compacts these chemically distinct domains into confined intergranular volumes, where supersaturation promotes precipitation and consolidation, yielding a porous SEI that retains electrolyte-derived species within a buried pore network beyond the reach of surface-sensitive probes. Spatiochemical segregation thus couples interfacial reaction pathways to lithium chemo-mechanics, dictating interphase composition, architecture, and permeability. These findings establish a chemo-mechanical framework for SEI evolution and suggest strategies to mitigate electrolyte retention and interphase instability in lithium–metal batteries.
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