Enhancing the reversibility of Li deposition/dissolution in sulfur batteries using high-concentration electrolytes to develop anode-less batteries with lithium sulfide cathode

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作者
Hikari Asano,Jiali Liu,Kazuhide Ueno,Kaoru Dokko,Toshikatsu Kojima,Nobuhiko Takeichi,Takuhiro Miyuki,Yukio Yamakawa,Masayoshi Watanabe
出处
期刊:Journal of Power Sources [Elsevier]
卷期号:554: 232323-232323 被引量:13
标识
DOI:10.1016/j.jpowsour.2022.232323
摘要

The reversibility of Li deposition/dissolution onto/from a copper substrate is analyzed herein for fabricating anodeless Li 2 S-cathode-based batteries using sulfolane (SL)-based sparingly solvating electrolytes to prevent lithium-polysulfide dissolution. The composition of electrolytes—binary lithium bis(trifluoromethanesulfonyl)amide/lithium bis(fluorosulfonyl)amide (LiTFSA/LiFSA; 9:1 molar ratio) in SL solvent—considerably affects the reversibility; a high-concentration electrolyte (HCE) and a localized high-concentration electrolyte (LHCE: HCE diluted by non-coordinating hydrofluoroether) exhibit superior reversibility than that of 1 M solution. Solid electrolyte interphases (SEI) with high F compositions and relatively low O concentrations are formed on the HCE- and LHCE-deposited Li surfaces. SEI formation via FSA decomposition is promoted in the HCE and LHCE, whereas SL decomposition is prohibited by the fluorine-rich SEI. The Li-deposit morphology is significantly affected by the nucleation overpotential at the initial deposition, which is influenced by the nature of the formed SEIs. Small-surface-area deposits with a low nucleation overpotential suppress the electrolyte decomposition and the formation of dead Li, resulting in high reversibility. Optimal reversibility is achieved by performing low-current-density initial deposition at 60 °C with the LHCE. The charge/discharge characteristics of anode-less Cu||Li 2 S batteries are determined under the reversibility-optimized conditions; 75 charge/discharge cycles and a 50-cycle capacity retention rate of 47.5% are achieved. • The anode-less battery with Li 2 S cathode is explored using sulfolane electrolytes. • The anode reversibility is greatly influenced by the electrolyte compositions. • The electrolyte compositions affect the solid electrolyte interphase compositions. • The anode-less batteries can be charged and discharged for 75 cycles.
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