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Understanding isolated lithium formation in lithium metal batteries with liquid electrolytes

Werres, Martin und Xu, Yaobin und Jia, Hao und Wang, Chongmin und Xu, Wu und Latz, Arnulf und Horstmann, Birger (2023) Understanding isolated lithium formation in lithium metal batteries with liquid electrolytes. Bunsen-Tagung 2023: Physical Chemistry of the Energy Transition, 2023-06-05 - 2023-06-07, Berlin, Deutschland.

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Kurzfassung

Lithium metal batteries (LMBs) with liquid electrolytes are promising candidates for next-generation high-energy-density batteries, currently limited by their cyclability [1]. A main cause for the low cycle life of LMBs is the non-reversible stripping of lithium during discharge [2]. Lithium gets isolated from the current collector and trapped in the insulating remaining solid-electrolyte interphase (SEI) shell [2,3]. However, a fundamental understanding of this process and the stripping dynamics remain elusive. We performed a combined theoretical and experimental study to understand isolated lithium formation during stripping [4]. We derive a thermodynamically consistent model of lithium dissolution underneath the SEI to predict the stripping dynamics of lithium during dissolution. We probe our predictions by resolving the structures after stripping with cryogenic transmission electron microscopy (TEM). We find that locally preferred stripping occurs due to the interaction with lithium and the SEI, which leads to isolated lithium formation. The cryo TEM results reveal that these local effects are particularly pronounced at kinks of lithium whiskers. Heterogeneous SEI, heterogeneous stress fields, or the geometric shape of the deposits can cause these local effects. Further, the amount of isolated lithium formation depends on the operating conditions, where higher stripping current densities lead to less isolated lithium. We conclude that in order to fully mitigate isolated lithium, a planar lithium morphology and a homogeneous SEI must be achieved. Literature: [1] Horstmann, B., Shi, J., Amine, R., Werres, M., et al. Energy Environ. Sci. 14, 5289-5314 (2021), [2] Fang, C. et al. Nature 572, 511-515 (2019), [3] Steiger, J., Kramer, D. & Mönig, R. J. Power Sources 261, 112-119 (2014), [4] Werres, M., Xu, Y., Hao, J., Wu, X., Wang, C., Latz, A. & Horstmann, B. arXiv:2301.04018 (2023)

elib-URL des Eintrags:https://elib.dlr.de/200305/
Dokumentart:Konferenzbeitrag (Poster)
Titel:Understanding isolated lithium formation in lithium metal batteries with liquid electrolytes
Autoren:
AutorenInstitution oder E-Mail-AdresseAutoren-ORCID-iDORCID Put Code
Werres, Martinmartin.werres (at) dlr.dehttps://orcid.org/0000-0001-7199-4848NICHT SPEZIFIZIERT
Xu, YaobinPacific Northwest National Laboratoryhttps://orcid.org/0000-0002-9945-3514NICHT SPEZIFIZIERT
Jia, HaoPacific Northwest National Laboratoryhttps://orcid.org/0000-0003-2814-5589NICHT SPEZIFIZIERT
Wang, ChongminPacific Northwest National Laboratoryhttps://orcid.org/0000-0003-3327-0958NICHT SPEZIFIZIERT
Xu, WuPacific Northwest National Laboratoryhttps://orcid.org/0000-0002-2685-8684NICHT SPEZIFIZIERT
Latz, Arnulfarnulf.latz (at) dlr.dehttps://orcid.org/0000-0003-1449-8172NICHT SPEZIFIZIERT
Horstmann, Birgerbirger.horstmann (at) dlr.dehttps://orcid.org/0000-0002-1500-0578148949711
Datum:2023
Referierte Publikation:Nein
Open Access:Ja
Gold Open Access:Nein
In SCOPUS:Nein
In ISI Web of Science:Nein
Status:veröffentlicht
Stichwörter:lithium metal battery, isolated lithium, SEI, cryo TEM
Veranstaltungstitel:Bunsen-Tagung 2023: Physical Chemistry of the Energy Transition
Veranstaltungsort:Berlin, Deutschland
Veranstaltungsart:internationale Konferenz
Veranstaltungsbeginn:5 Juni 2023
Veranstaltungsende:7 Juni 2023
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:18 Dez 2023 15:18
Letzte Änderung:24 Apr 2024 21:00

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