Enhancing High‐Voltage LNMO Cathode Performance in Li‐Metal Batteries Via Anionic Electrolyte Additive‐Integrated CEI Engineering

材料科学 阴极 电解质 金属 电压 金属锂 化学工程 无机化学 物理化学 电极 冶金 电气工程 化学 工程类
作者
Aakash Ahuja,Ajit Kumar,Khorsed Alam,Harshita Lohani,Abhinanda Sengupta,Pratima Kumari,Kamlesh Thapliyal,Dan Thomas Major,Sagar Mitra
出处
期刊:Advanced Functional Materials [Wiley]
标识
DOI:10.1002/adfm.202416634
摘要

Abstract An anionic‐additive electrolyte system is introduced by incorporating Lithium tetrafluoroborate (LiBF 4 ) into a conventional base electrolyte for high‐voltage LiNi₀.₅Mn₁.₅O₄ (LNMO) cathodes in lithium‐metal batteries. At high voltages, the sacrificial oxidation of LiBF 4 mitigates electrolyte degradation and forms a robust cathode electrolyte interface (CEI) enriched with boron and fluorine‐based components, which protects against active material corrosion. Density Functional Theory (DFT) studies reveal that BF₄⁻ is more readily oxidized, while MD simulations validate the CEI's inorganic composition. Initial cycling with a specialized charge‐discharge protocol ensures optimal use of the additive, resulting in a uniform, thin (4–6 nm) CEI on the LNMO cathode. The CEI formed in anionic‐additive electrolyte system effectively suppresses transition metal dissolution and surface degradation, enhancing long‐term cycling performance. The LiBF 4 ‐enhanced electrolyte also lowers overpotential and promotes more uniform Li deposition compared to the base electrolyte. At a 1 C‐rate, the LNMO cathode with a Li metal anode and optimized electrolyte achieves a discharge capacity of 115 mA h g⁻¹ and an energy density of 540 Wh kg⁻¹ over 500 cycles. These findings underscore LiBF 4 ’s dual role in protecting LNMO cathodes and Li metal anodes, highlighting the critical role of additives in CEI development for advanced lithium‐metal batteries.
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