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Depth-Dependent Understanding of Cathode Electrolyte Interphase (CEI) on the Layered Li-Ion Cathodes Operated at Extreme High Temperature

阴极 电解质 X射线光电子能谱 材料科学 化学 X射线吸收光谱法 电化学 吸收光谱法 分析化学(期刊) 化学工程 化学物理 电极 物理化学 工程类 物理 量子力学 色谱法
作者
Sudhan Nagarajan,Conan Weiland,Sooyeon Hwang,Mahalingam Balasubramanian,Leela Mohana Reddy Arava
出处
期刊:Chemistry of Materials [American Chemical Society]
卷期号:34 (10): 4587-4601 被引量:44
标识
DOI:10.1021/acs.chemmater.2c00435
摘要

The high-temperature operation of Li-ion batteries is highly dependent on the stability of the cathode electrolyte interphase (CEI) formed during lithiation–delithiation reactions. However, knowledge on the nature of the CEI is limited and its stability under extreme temperatures is not well understood. Therefore, herein, we investigate a proof-of-concept study on stabilizing CEI on model LiNi0.33Mn0.33Co0.33O2 (NMC333) at an extreme operation condition of 100 °C using the thermally stable pyrrolidinium-based ionic liquid electrolyte. The electrochemical lithiation–delithiation reactions at 100 °C and the CEI evolution upon different cycling conditions are investigated. Further, the depth-dependent CEI chemistry was investigated using energy-tunable synchrotron-based hard X-ray photoelectron spectroscopy (HAXPES). The results reveal that the high-temperature operation accelerated the CEI formation compared to room temperature, and the surface of the interphase layer is rich in boron-based inorganic moieties than the deeper surface. Further, bulk-sensitive X-ray absorption spectroscopy (XAS) was used to investigate the transition-metal redox contributors during high-temperature electrochemical reactions; similar to room temperature, the Ni2+/4+ redox couple is the only charge-compensating redox couple during high-temperature operation. Finally, the physical nature of the conformal CEI on the cathode particles was visualized with high-resolution transmission electron microscopy, which confirms that the significant degradation of cathode particles without conformal CEI is due to the transformation of a layer-to-spinel formation at extreme temperature. In this study, understanding this high-temperature interfacial chemistry of NMC cathodes through advanced spectroscopy and microscopy will shed light on transforming the ambient-temperature Li-ion chemistry into high-temperature applications.
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