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Two-Stage Growth of Solid Electrolyte Interphase on Copper: Imaging and Quantification by Operando Atomic Force Microscopy

原子力显微镜 材料科学 相间 电解质 显微镜 纳米技术 分析化学(期刊) 化学工程 化学 电极 冶金 光学 色谱法 物理化学 遗传学 物理 工程类 生物
作者
Henry L. Thaman,Michael L. Li,Justin A. Rose,Swati Narasimhan,Xin Xu,Che-Ning Yeh,Norman Jin,Andrew R. Akbashev,Isabel Davidoff,Martin Z. Bazant,William C. Chueh
出处
期刊:ACS Nano [American Chemical Society]
标识
DOI:10.1021/acsnano.4c16418
摘要

The solid electrolyte interphase (SEI) plays a key role in the aging of lithium-ion batteries. The engineering of advanced negative electrode materials to increase battery lifetime relies on accurate models of SEI growth, but quantitative measurement of SEI growth rates remains challenging due to their nanoscale heterogeneity and environmental sensitivity. In this work, using operando electrochemical atomic force microscopy, we track the growth of SEI on copper in a carbonate electrolyte. From operando measurements of SEI thickness and irreversible electrochemical capacity, we directly visualize the dual growth regimes of the SEI, observing an early-stage primary SEI approximately ten times more "electrochemically compact" than later-stage secondary SEI, as quantified via the incremental thickness per charge passed. While primary SEI is responsible for about half of the irreversible capacity lost in a 24 h period, it accounts for only a tenth of thickness. We also show that nanoscale defects on the copper substrate play a key role in determining the nonuniform growth morphology of the SEI, thus providing direct evidence that initial SEI growth is not purely transport-limited. Our experiments reveal that SEI grows by two modes: first reaction-limited nucleation and growth of a dense, passivating primary SEI layer, governed by ion-coupled electron transfer kinetics; and subsequently by diffusion-limited growth of a porous secondary SEI layer, once the primary SEI fully passivates the electrode surface.
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