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Strategies towards enabling lithium metal in batteries: interphases and electrodes

Horstmann, Birger und Shi, Jiayan und Amine, Rachid und Werres, Martin und He, Xin und Jia, Hao und Hausen, Florian und Cekic-Laskovic, Isidora und Wiemers-Meyer, Simon und Lopez, Jeffrey und Diego, Galvez-Aranda und Florian, Baakes und Bresser, Dominik und Su, Chi-Cheung und Xu, Yaobin und Xu, Wu und Jakes, Peter und Eichel, Rüdiger-A. und Figgemeier, Egbert und Krewer, Ulrike und Seminario, Jorge M. und Balbuena, Perla B. und Wang, Chongmin und Passerini, Stefano und Yang, Shao-Horn und Winter, Martin und Amine, Khalil und Kostecki, Robert und Latz, Arnulf (2021) Strategies towards enabling lithium metal in batteries: interphases and electrodes. Energy and Environmental Science, 2021 (14), Seiten 5289-5314. Royal Chemical Society. doi: 10.1039/D1EE00767J. ISSN 1754-5692.

[img] PDF - Verlagsversion (veröffentlichte Fassung)
6MB

Offizielle URL: https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2021/EE/D1EE00767J

Kurzfassung

Despite the continuous increase in capacity, lithium-ion intercalation batteries are approaching their performance limits. As a result, research is intensifying on next-generation battery technologies. The use of a lithium metal anode promises the highest theoretical energy density and enables use of lithium-free or novel high-energy cathodes. However, the lithium metal anode suffers from poor morphological stability and Coulombic efficiency during cycling, especially in liquid electrolytes. In contrast to solid electrolytes, liquid electrolytes have the advantage of high ionic conductivity and good wetting of the anode, despite the lithium metal volume change during cycling. Rapid capacity fade due to inhomogeneous deposition and dissolution of lithium is the main hindrance to the successful utilization of the lithium metal anode in combination with liquid electrolytes. In this perspective, we discuss how experimental and theoretical insights can provide possible pathways for reversible cycling of two-dimensional lithium metal. Therefore, we discuss improvements in the understanding of lithium metal nucleation, deposition, and stripping on the nanoscale. As the solid–electrolyte interphase (SEI) plays a key role in the lithium morphology, we discuss how the proper SEI design might allow stable cycling. We highlight recent advances in conventional and (localized) highly concentrated electrolytes in view of their respective SEIs. We also discuss artificial interphases and three-dimensional host frameworks, which show prospects of mitigating morphological instabilities and suppressing large shape change on the electrode level.

elib-URL des Eintrags:https://elib.dlr.de/147404/
Dokumentart:Zeitschriftenbeitrag
Titel:Strategies towards enabling lithium metal in batteries: interphases and electrodes
Autoren:
AutorenInstitution oder E-Mail-AdresseAutoren-ORCID-iDORCID Put Code
Horstmann, Birgerbirger.horstmann (at) dlr.dehttps://orcid.org/0000-0002-1500-0578NICHT SPEZIFIZIERT
Shi, JiayanArgonne National Laboratoryhttps://orcid.org/0000-0001-8432-240XNICHT SPEZIFIZIERT
Amine, RachidArgonne National Laboratoryhttps://orcid.org/0000-0002-0692-8331NICHT SPEZIFIZIERT
Werres, Martinmartin.werres (at) dlr.dehttps://orcid.org/0000-0001-7199-4848NICHT SPEZIFIZIERT
He, XinLawrence Berkeley National Laboratoryhttps://orcid.org/0000-0002-0272-9079NICHT SPEZIFIZIERT
Jia, HaoPacific Northwest National Laboratoryhttps://orcid.org/0000-0003-2814-5589NICHT SPEZIFIZIERT
Hausen, FlorianForschungszentrum Jülichhttps://orcid.org/0000-0001-5712-6761NICHT SPEZIFIZIERT
Cekic-Laskovic, IsidoraForschungszentrum Jülichhttps://orcid.org/0000-0003-1116-1574NICHT SPEZIFIZIERT
Wiemers-Meyer, SimonUniversity of Münsterhttps://orcid.org/0000-0001-8608-4521NICHT SPEZIFIZIERT
Lopez, JeffreyMassachusetts Institute of Technologyhttps://orcid.org/0000-0002-6425-5550NICHT SPEZIFIZIERT
Diego, Galvez-ArandaTexas A&M Universityhttps://orcid.org/0000-0002-5427-0220NICHT SPEZIFIZIERT
Florian, BaakesKarlsruhe Institute of Technologyhttps://orcid.org/0000-0001-6876-0020NICHT SPEZIFIZIERT
Bresser, DominikKarlsruhe Institute of Technologyhttps://orcid.org/0000-0001-6429-6048NICHT SPEZIFIZIERT
Su, Chi-CheungNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Xu, YaobinPacific Northwest National Laboratoryhttps://orcid.org/0000-0002-9945-3514NICHT SPEZIFIZIERT
Xu, WuPacific Northwest National Laboratoryhttps://orcid.org/0000-0002-2685-8684NICHT SPEZIFIZIERT
Jakes, PeterForschungszentrum JülichNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Eichel, Rüdiger-A.Forschungszentrum Jülichhttps://orcid.org/0000-0002-0013-6325NICHT SPEZIFIZIERT
Figgemeier, EgbertUniversity of Münsterhttps://orcid.org/0000-0002-6621-7419NICHT SPEZIFIZIERT
Krewer, UlrikeKarlsruhe Institute of Technologyhttps://orcid.org/0000-0002-5984-5935NICHT SPEZIFIZIERT
Seminario, Jorge M.Texas A&M Universityhttps://orcid.org/0000-0001-5397-9281NICHT SPEZIFIZIERT
Balbuena, Perla B.Texas A&M Universityhttps://orcid.org/0000-0002-2358-3910NICHT SPEZIFIZIERT
Wang, ChongminPacific Northwest National Laboratoryhttps://orcid.org/0000-0003-3327-0958NICHT SPEZIFIZIERT
Passerini, StefanoKarlsruhe Institute of Technologyhttps://orcid.org/0000-0002-6606-5304NICHT SPEZIFIZIERT
Yang, Shao-HornMassachusetts Institute of Technologyhttps://orcid.org/0000-0001-8714-2121NICHT SPEZIFIZIERT
Winter, MartinUniversity of Münsterhttps://orcid.org/0000-0003-4176-5811NICHT SPEZIFIZIERT
Amine, KhalilArgonne National Laboratoryhttps://orcid.org/0000-0001-9206-3719NICHT SPEZIFIZIERT
Kostecki, RobertLawrence Berkeley National Laboratoryhttps://orcid.org/0000-0002-4014-8232NICHT SPEZIFIZIERT
Latz, ArnulfArnulf.Latz (at) dlr.dehttps://orcid.org/0000-0003-1449-8172NICHT SPEZIFIZIERT
Datum:29 Juli 2021
Erschienen in:Energy and Environmental Science
Referierte Publikation:Ja
Open Access:Ja
Gold Open Access:Nein
In SCOPUS:Ja
In ISI Web of Science:Ja
Band:2021
DOI:10.1039/D1EE00767J
Seitenbereich:Seiten 5289-5314
Verlag:Royal Chemical Society
ISSN:1754-5692
Status:veröffentlicht
Stichwörter:lithium metal batteries, interphases, novel liquid electrolytes, electrode design
HGF - Forschungsbereich:Energie
HGF - Programm:Materialien und Technologien für die Energiewende
HGF - Programmthema:Elektrochemische Energiespeicherung
DLR - Schwerpunkt:Energie
DLR - Forschungsgebiet:E SP - Energiespeicher
DLR - Teilgebiet (Projekt, Vorhaben):E - Elektrochemische Speicher
Standort: Ulm
Institute & Einrichtungen:Institut für Technische Thermodynamik > Computergestützte Elektrochemie
Hinterlegt von: Werres, Martin Alexander
Hinterlegt am:23 Dez 2021 21:02
Letzte Änderung:23 Okt 2023 08:43

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