Influence of Electrolyte Additives on Interfacial Stability of Manganese-Rich Lithium-Ion Battery Cathodes

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作者
Nikita S. Dutta,Madison King,Bingning Wang,Chen Liao,John S. Mangum,Donal P. Finegan,Bertrand J. Tremolet de Villers,Katherine Jungjohann
出处
期刊:ACS applied energy materials [American Chemical Society]
卷期号:8 (16): 11873-11883
标识
DOI:10.1021/acsaem.5c00862
摘要

Affordable, long-lasting energy storage has become critical to support increased electricity demand in recent years. Cobalt-free, lithium- and manganese-rich lithium nickel manganese oxide (LMR-NM) cathodes stand to reduce cost and supply-chain concerns associated with traditional cobalt-containing cathodes for lithium-ion batteries by leveraging more earth-abundant materials; however, they have shown issues with long-term cycling stability. Here, we investigate lithium difluoro-(oxalate)-borate (LiDFOB), tris-(trimethylsilyl) phosphite (TMSPi), and vinylene carbonate (VC) electrolyte additives for their ability to improve cycling performance of LMR-NM (0.3 Li2MnO3 + 0.7 LiMn0.5Ni0.502) cells. Cryogenic scanning transmission electron microscopy (cryo-STEM) with electron energy loss spectroscopy enables the construction of a structure-function relationship between cathode electrolyte interphase (CEI) characteristics and the electrochemical performance of cells aged with these additives. We find the combination of 2 wt % TMSPi + 1 wt % LiDFOB performs better than any single additive, achieving a 28% improvement in specific capacity over the baseline electrolyte after long-term cycling. We attribute this to LiDFOB mitigating Mn ion dissolution, with cryo-STEM showing Mn stabilized up to the CEI surface, coupled with improved CEI structure and chemistry enabled by TMSPi, evidenced by a moderately thick (∼7-15 nm) CEI that appears to protect against further electrolyte reactions with the particle. These results, achieved through site-specific nanoscale characterization, directly reveal mechanisms through which electrolyte engineering can improve the performance of earth-abundant cathodes, enabling informed development of more affordable and reliable batteries to meet future energy storage needs.
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