Cryo‐Electron Tomography of Highly Deformable and Adherent Solid‐Electrolyte Interphase Exoskeleton in Li‐Metal Batteries with Ether‐Based Electrolyte

材料科学 润湿 成核 化学工程 无定形固体 电镀(地质) 电解质 复合材料 结晶学 电极 化学 地球物理学 地质学 工程类 物理化学 有机化学
作者
Bing Han,Xiangyan Li,Qi Wang,Yucheng Zou,Guiyin Xu,Yifeng Cheng,Zhen Zhang,Yusheng Zhao,Yonghong Deng,Ju Li,Meng Gu
出处
期刊:Advanced Materials [Wiley]
卷期号:34 (13) 被引量:31
标识
DOI:10.1002/adma.202108252
摘要

The 3D nanocomposite structure of plated lithium (LiMetal ) and solid electrolyte interphases (SEI), including a polymer-rich surficial passivation layer (SEI exoskeleton) and inorganic SEI "fossils" buried inside amorphous Li matrix, is resolved using cryogenic transmission electron microscopy. With ether-based DOLDME-LiTFSI electrolyte, LiF and Li2 O nanocrystals are formed and embedded in a thin but tough amorphous polymer in the SEI exoskeleton. The fast Li-stripping directions are along [1¯10] or [121¯] , which produces eight exposed {111} planes at halfway charging. Full Li stripping produces completely sagging, empty SEI husks that can sustain large bending and buckling, with the smallest bending radius of curvature observed approaching tens of nanometers without apparent damage. In the 2nd round of Li plating, a thin LiBCC sheet first nucleates at the current collector, extends to the top end of the deflated SEI husk, and then expands its thickness. The apparent zero wetting angle between LiBCC and the SEI interior means that the heterogeneous nucleation energy barrier is zero. Due to its complete-wetting property and chemo-mechanical stability, the SEI largely prevents further reactions between the Li metal and the electrolyte, which explains the superior performance of Li-metal batteries with ether-based electrolytes. However, uneven refilling of the SEI husks results in dendrite protrusions and some new SEI formation during the 2nd plating. A strategy to form bigger SEI capsules during the initial cycle with higher energy density than the following cycles enables further enhanced Coulombic efficiency to above 99%.
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