Ultraschnelle Abscheidung facettierter Lithiumpolyeder durch schnellere SEI-Bildung

Nature Band 620, Seiten 86–91 (2023)Diesen Artikel zitieren

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Die galvanische Abscheidung von Lithium (Li)-Metall ist für Hochenergiebatterien von entscheidender Bedeutung1. Allerdings erschwert die gleichzeitige Bildung eines Oberflächenkorrosionsfilms, der als Festelektrolyt-Interphase (SEI)2 bezeichnet wird, den Abscheidungsprozess, was unser schlechtes Verständnis der elektrochemischen Abscheidung von Li-Metall untermauert. Hier entkoppeln wir diese beiden miteinander verflochtenen Prozesse, indem wir die SEI-Bildung bei ultraschnellen Abscheidungsstromdichten beschleunigen3 und gleichzeitig Massentransportbeschränkungen vermeiden. Mithilfe der kryogenen Elektronenmikroskopie4,5,6,7 entdecken wir, dass die intrinsische Abscheidungsmorphologie von metallischem Li die eines rhombischen Dodekaeders ist, was überraschend unabhängig von der Elektrolytchemie oder dem Stromkollektorsubstrat ist. In einer Knopfzellenarchitektur weisen diese rhombischen Dodekaeder eine nahezu punktförmige Konnektivität mit dem Stromkollektor auf, was die Bildung von inaktivem Li beschleunigen kann8. Wir schlagen ein Pulsstromprotokoll vor, das diesen Fehlermodus überwindet, indem es rhombische Li-Dodekaeder als Keimbildungskeime nutzt und so das anschließende Wachstum von dichtem Li ermöglicht, das die Batterieleistung im Vergleich zu einer Basislinie verbessert. Während Li-Ablagerung und SEI-Bildung in früheren Studien immer eng miteinander verbunden waren, eröffnet unser experimenteller Ansatz neue Möglichkeiten, diese voneinander entkoppelten Prozesse grundsätzlich zu verstehen und neue Erkenntnisse für die Entwicklung besserer Batterien zu gewinnen.

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Wir bedanken uns für die Unterstützung der National Science Foundation (CBET-2143677) und die Nutzung der EICN-Einrichtungen des California NanoSystems Institute der University of California, Los Angeles.

Abteilung für Chemie- und Biomolekulartechnik, University of California, Los Angeles, Los Angeles, CA, USA

Xintong Yuan, Bo Liu & Yuzhang Li

California NanoSystems Institute, University of California, Los Angeles, Los Angeles, CA, USA

Matthew Mecklenburg

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XY und YL konzipierten das Projekt und gestalteten die Experimente. XY baute den UME-Aufbau auf und führte elektrochemische Experimente und SEM-Charakterisierungen durch. BL half bei COMSOL-Simulationen und Datenanalysen. XY und YL führten Kryo-EM-Experimente durch. MM beriet bei Mikroskop- und Bildanalysen. XY und YL haben das Manuskript gemeinsam geschrieben. Alle Autoren diskutierten die Ergebnisse und kommentierten das Manuskript.

Korrespondenz mit Yuzhang Li.

Die Autoren geben an, dass keine Interessenkonflikte bestehen.

Nature dankt Shizhao Xiong und den anderen, anonymen Gutachtern für ihren Beitrag zum Peer-Review dieser Arbeit.

Anmerkung des Herausgebers Springer Nature bleibt hinsichtlich der Zuständigkeitsansprüche in veröffentlichten Karten und institutionellen Zugehörigkeiten neutral.

Diese Datei enthält die ergänzende Diskussion, Abb. 1–19, Tabelle 1 und Referenzen.

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Nachdrucke und Genehmigungen

Yuan, X., Liu, B., Mecklenburg, M. et al. Ultraschnelle Abscheidung facettierter Lithiumpolyeder durch schnellere SEI-Bildung. Natur 620, 86–91 (2023). https://doi.org/10.1038/s41586-023-06235-w

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Eingegangen: 02. Dezember 2022

Angenommen: 17. Mai 2023

Veröffentlicht: 02. August 2023

Ausgabedatum: 03. August 2023

DOI: https://doi.org/10.1038/s41586-023-06235-w

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