Resolving Current-Dependent Regimes of Electroplating Mechanisms for Fast Charging Lithium Metal Anodes

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作者
David Boyle,Yuzhang Li,Allen Pei,Rafael A. Vilá,Zewen Zhang,Philaphon Sayavong,Mun Sek Kim,William Huang,Hongxia Wang,Yunzhi Liu,Rong Xu,Robert Sinclair,Jian Qin,Zhenan Bao,Yi Cui
出处
期刊:Nano Letters [American Chemical Society]
卷期号:22 (20): 8224-8232 被引量:75
标识
DOI:10.1021/acs.nanolett.2c02792
摘要

Poor fast-charge capabilities limit the usage of rechargeable Li metal anodes. Understanding the connection between charging rate, electroplating mechanism, and Li morphology could enable fast-charging solutions. Here, we develop a combined electroanalytical and nanoscale characterization approach to resolve the current-dependent regimes of Li plating mechanisms and morphology. Measurement of Li+ transport through the solid electrolyte interphase (SEI) shows that low currents induce plating at buried Li||SEI interfaces, but high currents initiate SEI-breakdown and plating at fresh Li||electrolyte interfaces. The latter pathway can induce uniform growth of {110}-faceted Li at extremely high currents, suggesting ion-transport limitations alone are insufficient to predict Li morphology. At battery relevant fast-charging rates, SEI-breakdown above a critical current density produces detrimental morphology and poor cyclability. Thus, prevention of both SEI-breakdown and slow ion-transport in the electrolyte is essential. This mechanistic insight can inform further electrolyte engineering and customization of fast-charging protocols for Li metal batteries.
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