Diagnosing and correcting anode-free cell failure via electrolyte and morphological analysis

阳极 电解质 材料科学 锂(药物) 化学工程 化学 电极 医学 工程类 内分泌学 物理化学
作者
A. J. Louli,A. Eldesoky,Rochelle Weber,Matthew Genovese,Matt Coon,Jack deGooyer,Zhe Deng,Robin White,Jaehan Lee,Thomas Rodgers,R. Petibon,Sunny Hy,Shawn J. H. Cheng,J. R. Dahn
出处
期刊:Nature Energy [Springer Nature]
卷期号:5 (9): 693-702 被引量:382
标识
DOI:10.1038/s41560-020-0668-8
摘要

Anode-free lithium metal cells store 60% more energy per volume than conventional lithium-ion cells. Such high energy density can increase the range of electric vehicles by approximately 280 km or even enable electrified urban aviation. However, these cells tend to experience rapid capacity loss and short cycle life. Furthermore, safety issues concerning metallic lithium often remain unaddressed in the literature. Recently, we demonstrated long-lifetime anode-free cells using a dual-salt carbonate electrolyte. Here we characterize the degradation of anode-free cells with this lean (2.6 g Ah−1) liquid electrolyte. We observe deterioration of the pristine lithium morphology using scanning electron microscopy and X-ray tomography, and diagnose the cause as electrolyte degradation and depletion using nuclear magnetic resonance spectroscopy and ultrasonic transmission mapping. For the safety characterization tests, we measure the cell temperature during nail penetration. Finally, we use the insights gained in this work to develop an optimized electrolyte, extending the lifetime of anode-free cells to 200 cycles.
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