Impact of Electrolyte on Direct-Contact Prelithiation of Silicon-Graphite Anodes in Lithium-Ion Cells with High-Nickel Cathodes

材料科学 石墨 电解质 锂(药物) 阳极 阴极 相间 化学工程 冶金 电极 物理化学 遗传学 生物 医学 化学 工程类 内分泌学
作者
Michael Yi,Zehao Cui,Arumugam Manthiram
出处
期刊:ACS Applied Materials & Interfaces [American Chemical Society]
卷期号:16 (32): 42270-42282 被引量:2
标识
DOI:10.1021/acsami.4c08929
摘要

Silicon-based anodes offer high specific capacities to enhance the energy density of lithium-ion batteries, but are severely hindered by the immense volume expansion and subsequent breakage of the solid-electrolyte-interphase (SEI) during cycling. Herein, we utilize an effective strategy, known as direct-contact prelithiation, to mitigate the challenges associated with expansion and surface instability in SiOx/graphite (SG) anodes. It involves introducing lithium into the anode via physical contact with lithium metal and electrolyte before cycling. Prelithiation of SG anodes with an advanced localized high-concentration electrolyte is shown to develop a mechanically robust artificial SEI that tolerates better the electrode volume expansion. The modified SG anode paired with the high-Ni cathode LiNi0.90Mn0.05Co0.05O2 delivers a high initial capacity of 191 mA h g–1 with 80% capacity retention over 150 cycles, compared to 46% retention with a conventional electrolyte. The bolstered SEI layer with reduced surface reactivity is due to the reduced electrolyte consumption and regulated SEI formation during cycling. Furthermore, the advanced electrolyte and fortified SG anode help reduce cathode degradation, transition-metal dissolution, and loss of active lithium. This study highlights viable prelithiation strategies to stabilize Si-based anodes for high-energy-density batteries through electrolyte design.
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