Fluorinated ether decomposition in localized high concentration electrolytes

电解质 乙醚 化学 分解 无机化学 材料科学 化学工程 电极 物理化学 有机化学 工程类
作者
Richard May,Julia C. Hestenes,Naiara A. Munich,Lauren E. Marbella
出处
期刊:Journal of Power Sources [Elsevier]
卷期号:553: 232299-232299 被引量:18
标识
DOI:10.1016/j.jpowsour.2022.232299
摘要

Localized high concentration electrolytes (LHCEs) are a promising class of battery materials to enable stable cycling of the lithium metal anode. Here, we report the use of operando nuclear magnetic resonance (NMR) spectroscopy to observe electrolyte decomposition during Li stripping/plating and identify the influence of individual components in LHCEs on Li metal battery performance. Data from operando 19 F solution NMR indicates that both bis(fluorosulfonyl)imide (FSI − ) salt and bis(2,2,2-trifluoroethyl) ether (BTFE) diluent molecules play a key role in solid electrolyte interphase (SEI) formation. Three-electrode electrochemical impedance spectroscopy (EIS) of commercial pouch cells also shows differences in interfacial resistances between LHCE and standard high concentration electrolytes (HCEs) that may be explained by incorporation of BTFE and BTFE reaction products into the SEI. Based on solid-state NMR and X-ray photoelectron spectroscopic characterization, we find that BTFE diluents decompose to form CF 2 - and CF 3 -containing fragments within a LiF-rich SEI deposited on the anode surface. The CEI on the cathode (here, LiNi 0.8 Mn 0.1 Co 0.1 O 2 ) side of the battery also contains higher quantities of LiF and trapped LiFSI after cycling in the LHCE compared to a HCE that are attributed to diluent decomposition and correlated with lower impedance at the cathode. Overall, this work provides a new framework to consider highly fluorinated ether molecules—instead of functioning purely as diluting agents in LHCEs, these fluorinated ethers exhibit tunable interfacial reactivity that can be leveraged to control Li deposition behavior. • Operando 19 F NMR tracks fluorinated ether degradation in LHCEs. • Solid-state NMR identifies electrolyte decomposition products on the Li surface. • EIS correlates impedance at the electrodes with the resulting surface chemistry.
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