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Revealing the roles of the solid–electrolyte interphase in designing stable, fast-charging, low-temperature Li-ion batteries

阳极 电解质 法拉第效率 电池(电) 材料科学 石墨 离子 阴极 电导率 化学工程 化学 电极 工程类 复合材料 物理化学 热力学 有机化学 功率(物理) 物理
作者
Lei Tao,Hanrui Zhang,Sameep Rajubhai Shah,Xixian Yang,J. C. K. Lai,Yanjun Guo,Joshua Russell,Dawei Xia,Jungki Min,Weibo Huang,Chenguang Shi,Zhaohui Liang,Deyang Yu,Sooyeon Hwang,Hui Xiong,Louis A. Madsen,Kejie Zhao,Feifei Shi,Feng Lin
出处
期刊:Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America [National Academy of Sciences]
卷期号:122 (13): e2420398122-e2420398122 被引量:10
标识
DOI:10.1073/pnas.2420398122
摘要

Designing the solid-electrolyte interphase (SEI) is critical for stable, fast-charging, low-temperature Li-ion batteries. Fostering a "fluorinated interphase," SEI enriched with LiF, has become a popular design strategy. Although LiF possesses low Li-ion conductivity, many studies have reported favorable battery performance with fluorinated SEIs. Such a contradiction suggests that optimizing SEI must extend beyond chemical composition design to consider spatial distributions of different chemical species. In this work, we demonstrate that the impact of a fluorinated SEI on battery performance should be evaluated on a case-by-case basis. Sufficiently passivating the anode surface without impeding Li-ion transport is key. We reveal that a fluorinated SEI containing excessive and dense LiF severely impedes Li-ion transport. In contrast, a fluorinated SEI with well-dispersed LiF (i.e., small LiF aggregates well mixed with other SEI components) is advantageous, presumably due to the enhanced Li-ion transport across heterointerfaces between LiF and other SEI components. An electrolyte, 1 M LiPF6 in 2-methyl tetrahydrofuran (2MeTHF), yields a fluorinated SEI with dispersed LiF. This electrolyte allows anodes of graphite, μSi/graphite composite, and pure Si to all deliver a stable Coulombic efficiency of 99.9% and excellent rate capability at low temperatures. Pouch cells containing layered cathodes also demonstrate impressive cycling stability over 1,000 cycles and exceptional rate capability down to -20 °C. Through experiments and theoretical modeling, we have identified a balanced SEI-based approach that achieves stable, fast-charging, low-temperature Li-ion batteries.
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