Influence of Water Contamination on the SEI Formation in Li-Ion Cells: An Operando EQCM-D Study

电解质 阳极 电化学 氢氧化物 化学 化学工程 材料科学 石英晶体微天平 无机化学 电极 吸附 有机化学 物理化学 工程类
作者
Paul Kitz,Petr Novák,Erik J. Berg
出处
期刊:ChemRxiv
标识
DOI:10.26434/chemrxiv.10255580.v1
摘要

The interphase formation on carbon (C) anodes in LiPF6/EC + DEC Li-ion battery electrolyte is analyzed by combining operando electrochemical quartz crystal microbalance with dissipation monitoring (EQCM-D) with in situ online electrochemical mass spectrometry (OEMS). EQCM-D enables unique insights into the anode solid electrolyte interphase (SEI) mass/thickness, its viscoelastic properties, and changes of electrolyte viscosity during the initial formation cycles. The interphase in pure electrolyte is relatively soft (G’SEI ≈ 0.2 MPa, ηSEI ≈ 10 mPa s) and changes its viscoelastic properties dynamically as a function of electrode po-tential. With increasing electrolyte water content, the SEI becomes thicker and much more rigid. Doubly labeled D218O is added to the electrolyte in order to precisely track the reaction pathway of water at the anode by OEMS. In the first cycle between 2.6 – 1.7 V vs. Li+/Li water is reduced and hydroxide ions initiate an autocatalytic hydrolysis of EC. With large amounts of water initially present in the electrolyte, most of the formed CO2 gas is scavenged by reactions with hydroxide and alkoxide ions forming a thick, rigid, and Li2CO3 rich early interphase on the C anode. This layer alleviates the following electrolyte decomposition processes and slows the reduction of EC < 1 V vs. Li+/Li.
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