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Capacity Fade and Its Mitigation in Li-Ion Cells with Silicon-Graphite Electrodes

电解质 电极 材料科学 石墨 淡出 聚合物 化学工程 化学 复合材料 光电子学 计算机科学 操作系统 工程类 物理化学
作者
Javier Bareño,Ilya A. Shkrob,James A. Gilbert,Matilda Klett,Daniel P. Abraham
出处
期刊:Journal of Physical Chemistry C [American Chemical Society]
卷期号:121 (38): 20640-20649 被引量:65
标识
DOI:10.1021/acs.jpcc.7b06118
摘要

Silicon-graphite (Si-Gr) electrodes typically contain lithiated carboxylates as polymer binders that are introduced through aqueous processing. Li-ion cells with such electrodes show significantly faster capacity fade than cells with graphite (Gr) electrodes. Here we examine the causes for capacity loss in Si-Gr cells containing LiPF6-based electrolytes. The presence of SiOxFy in the Si-Gr electrode, fluorophosphate species in the electrolyte, and silica on the positive electrode indicates the crucial role of the hydrolytic cycle. In particular, HF acid that is generated through LiPF6 hydrolysis corrodes Si particles. As it reacts, the released water re-enters the cycle. We trace the moisture initiating this detrimental cycle to the hydration water in the lithiated binders that cannot be fully removed by thermal treatment. The rate of HF corrosion can be reduced through the use of electrolyte additives. For the fluoroethylene carbonate (FEC) additive, the improved performance arises from changes to the solid electrolyte interphase (SEI) that serves as a barrier against HF attack. We propose that the greater extent of polymer cross-linking, that gives FEC-derived SEI elastomer properties, slows down HF percolation through this SEI membrane and inhibits the formation of deep cracks through which HF can access and degrade the Si surface.
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