Stable Electrode/Electrolyte Interface for High-Voltage NCM 523 Cathode Constructed by Synergistic Positive and Passive Approaches

电解质 材料科学 电化学 阴极 化学工程 锂(药物) 电极 分解 无机化学 化学 有机化学 物理化学 医学 工程类 内分泌学
作者
Xiaotang Shi,Tianle Zheng,Jianwei Xiong,Bingying Zhu,Ya‐Jun Cheng,Yonggao Xia
出处
期刊:ACS Applied Materials & Interfaces [American Chemical Society]
卷期号:13 (48): 57107-57117 被引量:33
标识
DOI:10.1021/acsami.1c15690
摘要

Increasing the working voltage of lithium-ion batteries (LIBs) is an efficient way to increase energy density. However, high voltage triggers excessive electrolyte decomposition at the electrode-electrolyte interfaces, where the electrochemical performance such as cyclic stability and rate capability is seriously deteriorated. A new synergistic positive and passive approach is proposed in this work to construct a stable electrode-electrolyte interface at high voltage. As a positive approach, inorganic lithium sulfide salt (Li2S) is used as an electrolyte additive to build a stable cathode electrolyte interface (CEI) at the LiNi0.5Co0.2Mn0.3O2 (NCM523) cathode surface. In a passive way, acetonitrile (AN) is applied as a solvent additive to suppress oxidative decomposition of a carbonate electrolyte via preferential solvation with a lithium ion. Because of the synergistic interaction between the positive and passive approaches, the cyclic stabilities of NCM523/Li cells improved with a tiny amount of Li2S (0.01 mg mL-1) and AN (0.5 vol %). The capacity retention increased to 80.74% after 200 cycles compared to the cells with the blank electrolyte (67.98%) and AN-containing electrolyte (75.8%). What is more, the capacity retention of the NCM523/graphite full cell is increased from 65 to 81% with the addition of the same amount of Li2S and AN after 180 cycles. The mechanism is revealed on the basis of the theoretical calculations and various characterizations. The products derived from the preferential adsorption and oxidation of Li2S on the surface of NCM523 effectively increase the content of inorganic ingredients. However, the presence of AN prevents oxidation of the solvent. This study provides new principle guiding studies on a high-voltage lithium-ion battery with excellent electrochemical performance.
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