Anode-free Lithium Metal Batteries with High-Concentration Ether Electrolytes

Abstract

Med en raskt voksende etterspørsel for batterier, trengs det nye batterier som kan lagre mer energi. Å erstatte dagens grafittanode med litiummetall er en potensiell løsning for å øke energitettheten til litium-ionbatterier. Det er imidlertid mange problemer assosiert med litiummetall, på grunn av dets høye reaktivitet og tendens til å vokse ujevnt.

En anodeløst konfigurasjon har blitt testet i dette arbeidet, sett på som en lovende kandidat for praktisk realisering av litium-metall-anoden. Cellene som ble brukt hadde en LFP-Cu struktur. Rapporten har utforsket bruken av høykonsentrerte elektrolytter ved bruk av etersolventer (TEGDME eller DME), LiFSI-salt, og LiNO3- tilsetningsstoff. Påvirkningen av etersolvent, tilsetningsstoff og sykleforhold har blitt utforsket, for å oppnå høy litium-reversibilitet. Fire ulike elektrolytter har blitt testet.

Poseceller og PAT-celler har blitt laget og syklet elektrokjemisk for å se på ytelsen til hver elektrolytt. Noen celler ble åpnet og analysert, enten i SEM eller XRD. SEM-analysen ble gjort for å se på morfologien til litiumdeponeringen, mens XRD ble gjort for å bestemme hvor mye litium som hadde blitt delitiert fra LFP-katoden.

Resultatene viser gode egenskaper for mange av elektrolyttene. Den mest lovende elektrolytten, 3.2 M LiFSI + LiNO3 i DME, oppnådde en effektivitet på 99.4%, når den ble syklet på mellomstore strømtettheter, med en sakte oppladning og rask utladning (C/5, D/2). Den faktiske litium-reversibiliteten antas å være enda litt høyere enn dette, ettersom ”cross talk” mistenkes å ha påvirket den målte coulombiske effektiviteten.

Sykleytelsene identifiserer DME til å være den beste solventen, og viser at LiNO3 har en forbedrende effekt. SEM-bildene viser at morfologien forbedres kraftig, ved å tilsette LiNO3 ettersom den bidrar til at litiumdeponeringen får en jevnere morfologi. Sykleforholdene viser seg å være betydelige. Dette arbeidet taler for bruken av en sakte oppladning og rask utladning, syklet på middels strømtettheter.

As the demand for batteries is growing rapidly, new batteries capable of storing more energy are needed. Replacing the graphite anode with lithium metal is a promising solution to increase the energy density of lithium-ion batteries. However, there are many problems associated with lithium metal due to its high reactivity and tendency to grow non-uniformly.

An anode-free configuration has been tested in this work, seen as a promising configuration for the practical realization of the lithium metal anode. The cells used had an LFP - Cu structure. The thesis has investigated the use of highly concentrated electrolytes using ether solvents (TEGDME or DME), LiFSI salt, and LiNO3 additive. The influence of ether solvent, additive, and cycling conditions have been explored, trying to achieve high lithium reversibility. A total of four electrolytes were tested.

Pouch cells and PAT-cells were made and cycled electrochemically to determine the performance of each electrolyte. Some cells were opened and investigated, either in SEM or XRD. SEM analysis was done to identify the morphology of deposited lithium, while XRD was performed to determine the amount of lithium delithiated from the LFP cathode.

Results show excellent properties for several of the electrolytes used. The most promising electrolyte, 3.2 M LiFSI + LiNO3 in DME, achieved an average CE of 99.4 % when cycled at intermediate current densities, with a slow charge and fast discharge (C/5, D/2). The actual lithium reversibility is believed to be even slightly better than this, as cross talk is suspected of influencing the measured coulombic efficiencies.

Cycling performances identify DME as a better solvent than TEGDME, and show that LiNO3 causes improved cycling performance. SEM images show that the morphology significantly improves when adding LiNO3, contributing to a more even deposition morphology. The cycling conditions proves to be critical. This work advocates a slower charge and faster discharge, cycled at mediocre current densities.