Dynamic spatial progression of isolated lithium during battery operations

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作者
Fang Liu,Rong Xu,Yecun Wu,David Boyle,Ankun Yang,Jinwei Xu,Yangying Zhu,Yusheng Ye,Zhiao Yu,Zewen Zhang,Xin Xiao,Wenxiao Huang,Hansen Wang,Hao Chen,Yi Cui
出处
期刊:Nature [Springer Nature]
卷期号:600 (7890): 659-663 被引量:154
标识
DOI:10.1038/s41586-021-04168-w
摘要

The increasing demand for next-generation energy storage systems necessitates the development of high-performance lithium batteries1-3. Unfortunately, current Li anodes exhibit rapid capacity decay and a short cycle life4-6, owing to the continuous generation of solid electrolyte interface7,8 and isolated Li (i-Li)9-11. The formation of i-Li during the nonuniform dissolution of Li dendrites12 leads to a substantial capacity loss in lithium batteries under most testing conditions13. Because i-Li loses electrical connection with the current collector, it has been considered electrochemically inactive or 'dead' in batteries14,15. Contradicting this commonly accepted presumption, here we show that i-Li is highly responsive to battery operations, owing to its dynamic polarization to the electric field in the electrolyte. Simultaneous Li deposition and dissolution occurs on two ends of the i-Li, leading to its spatial progression toward the cathode (anode) during charge (discharge). Revealed by our simulation results, the progression rate of i-Li is mainly affected by its length, orientation and the applied current density. Moreover, we successfully demonstrate the recovery of i-Li in Cu-Li cells with >100% Coulombic efficiency and realize LiNi0.5Mn0.3Co0.2O2 (NMC)-Li full cells with extended cycle life.
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