Interrelation between External Pressure, SEI Structure and Electrodeposit Morphology in an Anode-Free Lithium Metal Battery

作者
David Mitlin
出处
期刊:Meeting abstracts [Institute of Physics]
卷期号:MA2024-02 (7): 862-862 被引量:13
标识
DOI:10.1149/ma2024-027862mtgabs
摘要

We explore the interrelation between external pressure (0.1, 1, 10 MPa), solid electrolyte interphase (SEI) structure/morphology, and lithium metal plating/stripping behavior. To simulate anode-free lithium metal batteries (AF-LMBs) analysis was performed on “empty” Cu current collectors in standard carbonate electrolyte. Lower pressure promotes organic-rich SEI and macroscopically heterogeneous, filament-like Li electrodeposits interspersed with pores. Higher pressure promotes inorganic F-rich SEI with more uniform and denser Li film. A “seeding layer” of lithiated pristine graphene (pG@Cu) favors an anion-derived F-rich SEI and promotes uniform metal electrodeposition, enabling extended electrochemical stability at a lower pressure. State-of-the-art electrochemical performance is achieved at 1MPa: pG-enabled half-cell is stable after 300 hrs (50 cycles) at 1 mA cm-2 rate - 3 mAh cm-2 capacity (17.5 mm plated/stripped), with cycling Coulombic efficiency (CE) of 99.8%. AF-LMB cells with high mass loading NMC622 cathode (21 mg cm-2) undergo 200 cycles with a CE of 99.4% at C/5-charge and C/2-discharge (1C = 178 mAh/g). Density functional theory (DFT) highlights the differences in the adsorption energy of solvated-Li+ onto various crystal planes of Cu (100), (110), and (111), versus lithiated/delithiated (0001) graphene, giving insight regarding the role of support surface energetics in promoting SEI heterogeneity.

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