Lithium Polystyrene Sulfonate Based Interfacial Protective Layer for Lithium Metal Anodes

doi:10.7503/cjcu20220166

Abstract

Abstract:

Due to the ultrahigh theoretical specific capacity（3860 mA·h/g） and lowest negative electrochemical potential［?3.04 V（vs. SHE）］， lithium metal has long been considered as an ideal anode for next-generation high- energy-density lithium batteries. However， several critical issues such as volume expansion， lithium dendrite， and side reaction have restricted its practical application. Here， lithium polystyrene sulfonic（PSSLi） was evenly coated on the surface of commercial lithium metal foil to form the PSSLi@Li composite electrode. Fourier transform infrared spectroscopy（FTIR）， electrochemical impedance（EIS）， battery performance test and finite-element-based solver simulation were used to analyze the physical and electrochemical properties of this composite anode. The results indicated the PSSLi layer can effectively avoid the side reaction between electrolyte and Li metal， restricting the formation of "dead Li". In addition， PSSLi with the neatly arranged sulfonic groups can homogenize the Li ions flux and distribution on the electrode surface， which ensures the uniform plating/stripping of Li metal. The electrochemical test showed that the coulombic efficiency of the PSSLi@Cu composite electrode can remain above 99.5% after 350 cycles. And the symmetrical cell assembled with PSSLi@Li composite electrodes presents an excellent cycling life over 1200 h under the current density of 1 mA/cm² and area capacity of 1 mA·h/cm². Moreover， the LiFePO₄（LFP） coupled full cell can maintain at 115 mA·h/g under the rate of 1C after 500 cycles and realize an ideal capacity retention（81%）. The full cell also exhibits an excellent rate performance of 105 mA·h/g at the rate of 8C.

Key words: Lithium metal anode, Lithium metal interface layer, Polystyrene sulfonate lithium, Fast ions transfer, Lithium dendrites

CLC Number:

O646.5

TrendMD:

LI Wei, LUO Piao, HUANG Lianzhan, CUI Zhiming. Lithium Polystyrene Sulfonate Based Interfacial Protective Layer for Lithium Metal Anodes[J]. Chem. J. Chinese Universities, 2022, 43(8): 20220166.

Figures/Tables 6

References 35

1	Zhang R.， Chen X. R.， Chen X.， Cheng X. B.， Zhang X. Q.， Yan C.， Zhang Q.， Angew. Chem.， Int. Ed.， 2017， 56（27）， 7764—7768
2	Sun Y.， Liu N.， Cui Y.， Nat. Energy， 2016， 1， 16071
3	Kim H.， Jeong G.， Kim Y. U.， Kim J. H.， Park C. M.， Sohn H. J.， Chem. Soc. Rev.， 2013， 42（23）， 9011—9034
4	Yang C.， Fu K.， Zhang Y.， Hitz E.， Hu L.， Adv. Mater.， 2017， 29（36）， 1701169
5	Chandrashekar S.， Trease N. M.， Chang H. J.， Du L. S.， Grey C. P.， Jerschow A.， Nat. Mater.， 2012， 11， 311
6	Ding F.， Xu W.， Graff G. L.， Zhang J.， Sushko M. L.， Chen X.， Shao Y.， Engelhard M. H.， Nie Z.， Xiao J.， Liu X.， Sushko P. V.， Liu J.， Zhang J. G.， J. Am. Chem. Soc.， 2013， 135（11）， 4450—4456
7	Lu D.， Shao Y.， Lozano T.， Bennett W. D.， Graff G. L.， Polzin B.， Zhang J.， Engelhard M. H.， Saenz N. T.， Henderson W. A.， Bhattacharya P.， Liu J.， Xiao J.， Adv. Energy Mater.， 2015， 5（3）， 1400993
8	Yang C.， Yao Y.， He S.， Xie H.， Hitz E.， Hu L.， Adv. Mater.， 2017， 29（38）， 1702714
9	Liu H.， Yue X.， Xing X.， Yan Q.， Huang J.， Petrova V.， Zhou H.， Liu P.， Energy Stor. Mater.， 2019， 16， 505—511
10	Adair K. R.， Iqbal M.， Wang C.， Zhao Y.， Banis M. N.， Li R.， Zhang L.， Yang R.， Lu S.， Sun X.， Nano Energy， 2018， 54， 375—382
11	Chi S. S.， Wang Q.， Han B.， Luo C.， Jiang Y.， Wang J.， Wang C.， Yu Y.， Deng Y.， Nano Lett.， 2020， 20（4）， 2724—2732
12	Li X.， Zheng J.， Ren X.， Engelhard M. H.， Zhao W.， Li Q.， Zhang J. G.， Xu W.， Adv. Energy Mater.， 2018， 8（15）， 1703022
13	Li S.， Luo Z.， Li L.， Hu J.， Zou G.， Hou H.， Ji X.， Energy Stor. Mater.， 2020， 32， 306—319
14	Ma Y.， Zhou Z.， Li C.， Wang L.， Wang Y.， Cheng X.， Zuo P.， Du C.， Huo H.， Gao Y.， Yin G.， Energy Stor. Mater.， 2018， 11， 197—204
15	Zheng G.， Lee S. W.， Liang Z.， Lee H. W.， Yan K.， Yao H.， Wang H.， Li W.， Chu S.， Cui Y.， Nat. Nanotechnol.， 2014， 9（8）， 618—623
16	Lang J.， Song J.， Qi L.， Luo Y.， Luo X.， Wu H.， ACS Appl. Mater. Interfaces， 2017， 9（12）， 10360—10365
17	Dai J.， Yang C.， Wang C.， Pastel G.， Hu L.， Adv. Mater.， 2018， 30（48）， 1802068
18	Yang C.， Xie H.， Ping W.， Fu K.， Liu B.， Rao J.， Dai J.， Wang C.， Pastel G.， Hu L.， Adv. Mater.， 2019， 31（3）， 1804815
19	Cheng X. B.， Zhao C. Z.， Yao Y. X.， Liu H.， Zhang Q.， Chem， 2019， 5（1）， 74—96
20	Wang C.， Gong Y.， Liu B.， Fu K.， Yao Y.， Hitz E.， Li Y.， Dai J.， Xu S.， Luo W.， Wachsman E. D.， Hu L.， Nano Lett.， 2017， 17（1）， 565—571
21	Wang A.， Tang S.， Kong D.， Liu S.， Chiou K.， Zhi L.， Huang J.， Xia Y. Y.， Luo J.， Adv. Mater.， 2018， 30（1）， 1703891
22	Li Y.， Sun Y.， Pei A.， Chen K.， Vailionis A.， Li Y.， Zheng G.， Sun J.， Cui Y.， ACS Cent. Sci.， 2018， 4（1）， 97—104
23	Sun Z.， Jin S.， Jin H.， Du Z.， Zhu Y.， Cao A.， Ji H.， Wan L. J.， Adv. Mater.， 2018， 30（32）， 1800884
24	Li N. W.， Yin Y. X.， Yang C. P.， Guo Y. G.， Adv. Mater.， 2016， 28（9）， 1853—1858
25	Li W. H.， Li H. B.， Zeng C.， Liang H. Y.， Chen J. J.， Li J. Y.， Li H. Q.， Chem. J. Chinese Universities， 2022， 43（2）， 20210629
	李伟辉，李浩博，曾诚，梁昊樾，陈佳俊，李俊勇，李会巧. 高等学校化学学报， 2022， 43（2）， 20210629
26	Liebenow C.， Lühder K.， J. Appl. Electrochem.， 1996， 26， 689—692
27	Lee Y. M.， Choi N. S.， Park J. H.， Park J. K.， J. Power Sources， 2003， 119—121， 964—972
28	Li X.， Zhang Z.， Li S.， Yang K.， Yang L.， J. Mater. Chem. A， 2017， 5（40）， 21362-21369
29	Wang Y.， Fu L.， Shi L.， Wang Z.， Zhu J.， Zhao Y.， Yuan S.， ACS Appl. Mater. Interfaces， 2019， 11（5）， 5168—5175
30	Cao P. F.， Wojnarowska Z.， Hong T.， Carroll B.， Li B.， Feng H.， Parsons L.， Wang W.， Lokitz B. S.， Cheng S.， Bocharova V.， Sokolov A. P.， Saito T.， Polymer， 2017， 124， 117—127
31	Meyerson M. L.， Papa P. E.， Heller A.， Mullins C. B.， ACS Nano， 2021， 15（1）， 29—46
32	Herath M. B.， Creager S. E.， Rajagopal R. V.， Geiculescu O. E.， DesMarteau D. D.， Electrochim. Acta， 2009， 54（24）， 5877—5883
33	Li S.， Fan L.， Lu Y.， Energy Stor. Mater.， 2019， 18， 205—212
34	Xu J.， An S.， Song X.， Cao Y.， Wang N.， Qiu X.， Zhang Y.， Chen J.， Duan X.， Huang J.， Li W.， Wang Y.， Adv. Mater.， 2021， 33（49）， 2105178
35	Wang S.， Zhou L.， Tufail M. K.， Yang L.， Zhai P.， Chen R.， Yang W.， Chem. Eng. J.， 2021， 415， 128846

[1]	LI Weihui, LI Haobo, ZENG Cheng, LIANG Haoyue, CHEN Jiajun, LI Junyong, LI Huiqiao. Hot-pressed PVDF-based Difunctional Protective Layer for Lithium Metal Anodes [J]. Chem. J. Chinese Universities, 2022, 43(2): 20210629.
[2]	LI Tong, GU Sichen, LIN Qiaowei, HAN Junwei, ZHOU Guangmin, LI Baohua, KANG Feiyu, LYU Wei. Advanced 3D Current Collectors for Dendrite-free Lithium Metal Anode [J]. Chem. J. Chinese Universities, 2021, 42(5): 1480.
[3]	WANG Fengchun, ZHOU Wanli. Influences of Ionic Additive Tetrabutylammonium-bis(fluorosulfonyl)imide on Performance of Lithium Metal Batteries^† [J]. Chem. J. Chinese Universities, 2018, 39(11): 2529.