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Origin of heterogeneous stripping of lithium in liquid electrolytes

Werres, Martin und Xu, Yaobin und Jia, Hao und Wang, Chongmin und Xu, Wu und Latz, Arnulf und Horstmann, Birger (2023) Origin of heterogeneous stripping of lithium in liquid electrolytes. ACS Nano, 17 (11), Seiten 10218-10228. American Chemical Society (ACS). doi: 10.1021/acsnano.3c00329. ISSN 1936-0851.

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

Offizielle URL: https://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/acsnano.3c00329

Kurzfassung

Lithium metal batteries suffer from low cycle life. During discharge, parts of the lithium are not stripped reversibly and remain isolated from the current collector. This isolated lithium is trapped in the insulating remaining solid-electrolyte interphase (SEI) shell and contributes to the capacity loss. However, a fundamental understanding of why isolated lithium forms and how it can be mitigated is lacking. In this article, we perform a combined theoretical and experimental study to understand isolated lithium formation during stripping. We derive a thermodynamic consistent model of lithium dissolution and find that the interaction between lithium and SEI leads to locally preferred stripping and isolated lithium formation. Based on a cryogenic transmission electron microscopy (cryo TEM) setup, we reveal that these local effects are particularly pronounced at kinks of lithium whiskers. We find that lithium stripping can be heterogeneous both on a nanoscale and on a larger scale. Cryo TEM observations confirm our theoretical prediction that isolated lithium occurs less at higher stripping current densities. The origin of isolated lithium lies in local effects, such as heterogeneous SEI, stress fields, or the geometric shape of the deposits. We conclude that in order to mitigate isolated lithium, a uniform lithium morphology during plating and a homogeneous SEI are indispensable.

elib-URL des Eintrags:https://elib.dlr.de/200318/
Dokumentart:Zeitschriftenbeitrag
Titel:Origin of heterogeneous stripping of lithium in 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/0000-0002-1500-0578149040921
Datum:31 Mai 2023
Erschienen in:ACS Nano
Referierte Publikation:Ja
Open Access:Ja
Gold Open Access:Nein
In SCOPUS:Ja
In ISI Web of Science:Ja
Band:17
DOI:10.1021/acsnano.3c00329
Seitenbereich:Seiten 10218-10228
Verlag:American Chemical Society (ACS)
ISSN:1936-0851
Status:veröffentlicht
Stichwörter:lithium metal, multiscale model, SEI on lithium, isolated lithium, cryo-TEM, electrochemical dissolution
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:19 Dez 2023 17:29
Letzte Änderung:20 Dez 2023 12:27

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