Overlooked electrolyte destabilization by manganese (II) in lithium-ion batteries

电解质 锂(药物) 阳极 溶解 阴极 过渡金属 化学 碳酸盐 分子 无机化学 材料科学 化学工程 催化作用 电极 医学 有机化学 物理化学 内分泌学 工程类
作者
Cun Wang,Lidan Xing,Jenel Vatamanu,Zhi Chen,Guangyuan Lan,Weishan Li,Kang Xu
出处
期刊:Nature Communications [Nature Portfolio]
卷期号:10 (1) 被引量:170
标识
DOI:10.1038/s41467-019-11439-8
摘要

Abstract Transition-metal dissolution from cathode materials, manganese in particular, has been held responsible for severe capacity fading in lithium-ion batteries, with the deposition of the transition-metal cations on anode surface, in elemental form or as chelated-complexes, as the main contributor for such degradations. In this work we demonstrate with diverse experiments and calculations that, besides interfacial manganese species on anode, manganese(II) in bulk electrolyte also significantly destabilizes electrolyte components with its unique solvation-sheath structure, where the decompositions of carbonate molecules and hexafluorophosphate anion are catalyzed via their interactions with manganese(II). The manganese(II)-species eventually deposited on anode surface resists reduction to its elemental form because of its lower electrophilicity than carbonate molecule or anion, whose destabilization leads to sustained consumption. The reveal understanding of the once-overlooked role of manganese-dissolution in electrolytes provides fresh insight into the failure mechanism of manganese-based cathode chemistries, which serves as better guideline to electrolyte design for future batteries.
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