Molecular gate effects observed in fluoroalkylsilane self-assembled monolayers grafted on LiNi0.5Mn1.5O4 cathodes: an application to efficient ion-exchange reactions

文献情報

出版日 2021-06-22
DOI 10.1039/D1MA00426C
インパクトファクター 0
著者

Youn Charles-Blin, Hitomi Todoki


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要旨

We demonstrated the role of fluoroalkylsilane (FAS) self-assembled monolayers in improving the high-voltage durability and C-rate capabilities of spinel LiNi0.5Mn1.5O4 (LNMO) cathodes. The influence of the cathode–electrolyte interface (CEI) layer formation was assessed and compared with various linear carbonates and fluoroethylenecarbon (FEC) additives using electrochemical impedance and X-ray photoemission spectroscopies. The densely grafted FAS monolayer provided a less resistive CEI with a nearly three times lower charge transfer resistance owing to the formation of lower amounts of Li2CO3 and LiPF6 salt degradation byproducts and the significant reduction of Mn dissolution by almost a third in full cells after cycling. Notably, high voltage stabilities dependent on non-cyclic carbonates were proportional to the depth of their HOMO-level positions. However, the addition of FEC drastically degraded the capacity retention in the FAS-grafted LNMO cathode systems during the cycles with the a thick CEI layer formation. This suggests that it was because of the enhancement of affinity, driven by the strong intermolecular interaction among fluorine-containing compounds. Furthermore, we found that the Li+ diffusion coefficient was larger than that for bare LNMO electrodes, which suggested significant changes in the kinetics of the Li+ exchange reaction (Li+ adsorption and diffusion processes) on the electrode/electrolyte associated with polarization mitigation. We believe that the grafted FAS layer plays a role as a molecular gate, and while blocking the diffusion of uncoordinated free-carbonate solvents to the electrode surface, it tends to preferentially permeate both solvated Li+ and counter PF6−, and partially permeate fluorine-substituted additives, which nearly eliminate the oxidation decomposition of free-carbonate solvents and promote an efficient Li+-exchange reaction.

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