Stabilizing lithium plating in polymer electrolytes by concentration-polarization-induced phase transformation

电解质 材料科学 极化(电化学) 化学工程 相(物质) 聚合物 相界 复合材料 化学 电极 有机化学 物理化学 工程类
作者
Qian Cheng,Tianwei Jin,Yupeng Miao,Zhe Liu,James Borovilas,Hanrui Zhang,Shuwei Liu,Soyeon Kim,Ruiwen Zhang,Haozhen Wang,Xi Chen,Long‐Qing Chen,Ju Li,Wei Min,Yuan Yang
出处
期刊:Joule [Elsevier]
卷期号:6 (10): 2372-2389 被引量:23
标识
DOI:10.1016/j.joule.2022.08.001
摘要

It is widely accepted that concentration polarization in liquid electrolytes promotes whisker growth during metal deposition, and therefore, high salt concentration is favored. Here, we report unexpected opposite behaviors in solid polymer electrolytes: concentration polarization can induce phase transformation in a polyethylene oxide (PEO) electrolyte, forming a new PEO-rich but salt-/plasticizer-poor phase at the lithium/electrolyte interface, as unveiled by stimulated Raman scattering microscopy. The new phase has a significantly higher Young’s modulus (∼1–3 GPa) than a bulk polymer electrolyte (<1 MPa). We hereby propose a design rule for PEO electrolytes: their compositions should be near the boundary between single-phase and two-phase regions in the phase diagram so that the applied current can induce the formation of a mechanically rigid PEO-rich phase to suppress lithium whiskers. LiFePO4/PEO/Li cells with concentration-polarization-induced phase transformation can be reversibly cycled 100 times, while cells without such transformation fail within 10 cycles, demonstrating the effectiveness of this strategy.
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