Research Progress towards Understanding the Unique Interfaces between Concentrated Electrolytes and Electrodes for Energy Storage Applications

Advanced Science

Volumn 4, Issue 8, 2017, Pages

  Zheng, Jianming ^b   Lochala, Joshua A ^a   Kwok, Alexander ^a   Deng, Zhiqun Daniel ^b   Xiao, Jie ^a  

^a UNIVERSITY OF ARKANSAS   (United States)

^b PACIFIC NORTHWEST NATIONAL LABORATORY   (United States)

Author keywords

batteries; concentrated electrolytes; interfacial stability; solid electrolyte interphase (SEI); solvation structures

Indexed keywords

EID: 85027320389     PISSN: None     EISSN: 21983844     Source Type: Journal    
DOI: 10.1002/advs.201700032     Document Type: Review

References (133)

1. J. M. Tarascon, M. Armand, Nature 2001, 414, 359;
2. M. Armand, J. M. Tarascon, Nature 2008, 451, 652;
3. J. W. Choi, D. Aurbach, Nat. Rev. Mater. 2016, 1, 16013.
4. X. Ji, K. T. Lee, L. F. Nazar, Nat. Mater. 2009, 8, 500;
5. G. Bruce Peter, A. Freunberger Stefan, J. Hardwick Laurence, M. Tarascon Jean, Nat. Mater. 2012, 11, 172;
6. Z. W. Seh, Y. Sun, Q. Zhang, Y. Cui, Chem. Soc. Rev. 2016;
7. J. Liu, J.-G. Zhang, Z. Yang, J. P. Lemmon, C. Imhoff, G. L. Graff, L. Li, J. Hu, C. Wang, J. Xiao, G. Xia, V. V. Viswanathan, S. Baskaran, V. Sprenkle, X. Li, Y. Shao, B. Schwenzer, Adv. Funct. Mater. 2013, 23, 929.
8. M. M. Thackeray, S.-H. Kang, C. S. Johnson, J. T. Vaughey, R. Benedek, S. A. Hackney, J. Mater. Chem. 2007, 17, 3112;
9. Y.-K. Sun, Z. Chen, H.-J. Noh, D.-J. Lee, H.-G. Jung, Y. Ren, S. Wang, C. S. Yoon, S.-T. Myung, K. Amine, Nat. Mater. 2012, 11, 942;
10. C. K. Chan, H. Peng, G. Liu, K. McIlwrath, X. F. Zhang, R. A. Huggins, Y. Cui, Nat. Nano 2008, 3, 31.
11. K. Xu, Chem. Rev. 2004, 104, 4303;
12. K. Xu, Chem. Rev. 2014, 114, 11503.
13. J. Zheng, P. Yan, R. Cao, H. Xiang, M. H. Engelhard, B. J. Polzin, C. Wang, J.-G. Zhang, W. Xu, ACS Appl. Mater. Interfaces 2016, 8, 5715.
14. J. Kalhoff, D. Bresser, M. Bolloli, F. Alloin, J.-Y. Sanchez, S. Passerini, ChemSusChem 2014, 7, 2939;
15. A. Abouimrane, J. Ding, I. J. Davidson, J. Power Sources 2009, 189, 693.
16. K. Xu, J. Electrochem. Soc. 2009, 156, A751;
17. K. Xu, A. von Wald Cresce, J. Mater. Res. 2012, 27, 2327.
18. Q. Wang, J. Zheng, E. Walter, H. Pan, D. Lv, P. Zuo, H. Chen, Z. D. Deng, B. Y. Liaw, X. Yu, X. Yang, J.-G. Zhang, J. Liu, J. Xiao, J. Electrochem. Soc. 2015, 162, A474.
19. A. von Wald Cresce, O. Borodin, K. Xu, J. Phys. Chem. C 2012, 116, 26111.
20. J. Wang, Y. Yamada, K. Sodeyama, C. H. Chiang, Y. Tateyama, A. Yamada, Nat. Commun. 2016, 7, 12032.
21. M. Nie, D. P. Abraham, D. M. Seo, Y. Chen, A. Bose, B. L. Lucht, J. Phys. Chem. C 2013, 117, 25381;
22. Y. Yamada, K. Furukawa, K. Sodeyama, K. Kikuchi, M. Yaegashi, Y. Tateyama, A. Yamada, J. Am. Chem. Soc. 2014, 136, 5039.
23. Y. Yamada, K. Usui, C. H. Chiang, K. Kikuchi, K. Furukawa, A. Yamada, ACS Appl. Mater. Interfaces 2014, 6, 10892;
24. Y. Lu, Z. Tu, L. A. Archer, Nat. Mater. 2014, 13, 961;
25. G. Deniz, L.-W. Kendra, S. Ravishankar, A. S. Kathleen, T. A. Arias, Model. Simul. Mater. Sci. Eng. 2013, 21, 074005;
26. J. Zhang, R. Wang, X. Yang, W. Lu, X. Wu, X. Wang, H. Li, L. Chen, Nano Lett. 2012, 12, 2153;
27. A. Lahiri, N. Borisenko, A. Borodin, M. Olschewski, F. Endres, Phys. Chem. Chem. Phys. 2016, 18, 5630;
28. A. Tokranov, R. Kumar, C. Li, S. Minne, X. Xiao, B. W. Sheldon, Adv. Energy Mater. 2016, 6, 1502302;
29. A. Lahiri, G. Li, M. Olschewski, F. Endres, ACS Appl. Mater. Interfaces 2016, 8, 34143.
30. D. W. McOwen, D. M. Seo, O. Borodin, J. Vatamanu, P. D. Boyle, W. A. Henderson, Energy Environ. Sci. 2014, 7, 416.
31. J. Qian, W. A. Henderson, W. Xu, P. Bhattacharya, M. Engelhard, O. Borodin, J.-G. Zhang, Nat. Commun. 2015, 6, 6362.
32. L. Suo, Y.-S. Hu, H. Li, M. Armand, L. Chen, Nat. Commun. 2013, 4, 1481.
33. K. Zhang, C. Guo, Q. Zhao, Z. Niu, J. Chen, Adv. Sci. 2015, 2, 1500018.
34. B. Liu, W. Xu, P. Yan, X. Sun, M. E. Bowden, J. Read, J. Qian, D. Mei, C.-M. Wang, J.-G. Zhang, Adv. Funct. Mater. 2016, 26, 605.
35. S. Miyoshi, H. Nagano, T. Fukuda, T. Kurihara, M. Watanabe, S. Ida, T. Ishihara, J. Electrochem. Soc. 2016, 163, A1206.
36. F. Tuerxun, Y. Abulizi, Y. NuLi, S. Su, J. Yang, J. Wang, J. Power Sources 2015, 276, 255.
37. L. Suo, O. Borodin, T. Gao, M. Olguin, J. Ho, X. Fan, C. Luo, C. Wang, K. Xu, Science 2015, 350, 938.
38. Y. Yamada, A. Yamada, J. Electrochem. Soc. 2015, 162, A2406.
39. S. J. An, J. Li, C. Daniel, D. Mohanty, S. Nagpure, D. L. Wood III, Carbon 2016, 105, 52;
40. E. Zvereva, D. Caliste, P. Pochet, Carbon 2017, 111, 789.
41. L. Ma, S. L. Glazier, R. Petibon, J. Xia, J. M. Peters, Q. Liu, J. Allen, R. N. C. Doig, J. R. Dahn, J. Electrochem. Soc. 2017, 164, A5008.
42. S.-K. Jeong, M. Inaba, Y. Iriyama, T. Abe, Z. Ogumi, Electrochem. Solid-State Lett. 2003, 6, A13.
43. S.-K. Jeong, M. Inaba, Y. Iriyama, T. Abe, Z. Ogumi, J. Power Sources 2008, 175, 540.
44. K. Leung, F. Soto, K. Hankins, P. B. Balbuena, K. L. Harrison, J. Phys. Chem. C 2016, 120, 6302.
45. C. Fu, R. Xu, F. Zhao, C. Han; Patent number: CN102255105 A: China, 2011.
46. K. Zaghib, P. Charest, A. Guerfi, J. Shim, M. Perrier, K. Striebel, J. Power Sources 2004, 134, 124;
47. M. Kerner, N. Plylahan, J. Scheers, P. Johansson, RSC Adv. 2016, 6, 23327;
48. M. Kerner, N. Plylahan, J. Scheers, P. Johansson, Phys. Chem. Chem. Phys. 2015, 17, 19569.
49. S. S. Zhang, T. R. Jow, J. Power Sources 2002, 109, 458;
50. Y. Yamada, C. H. Chiang, K. Sodeyama, J. Wang, Y. Tateyama, A. Yamada, ChemElectroChem 2015, 2, 1687.
51. K. Matsumoto, K. Inoue, K. Nakahara, R. Yuge, T. Noguchi, K. Utsugi, J. Power Sources 2013, 231, 234.
52. O. Yamamoto, Z. Ogumi, M. Morita, C. Iwakura, Y. Fukumoto, H. Inoue, S. Ohashi, S. Kobayashi, H. Tada, M. Abe, J. Power Sources 1997, 68, 301.
53. M. Xu, L. Zhou, Y. Dong, Y. Chen, J. Demeaux, A. D. MacIntosh, A. Garsuch, B. L. Lucht, Energy Environ. Sci. 2016, 9, 1308;
54. J. Zheng, J. Xiao, M. Gu, P. Zuo, C. Wang, J.-G. Zhang, J. Power Sources 2014, 250, 313.
55. T. Doi, R. Masuhara, M. Hashinokuchi, Y. Shimizu, M. Inaba, Electrochim. Acta 2016, 209, 219;
56. T. Doi, Y. Shimizu, M. Hashinokuchi, M. Inaba, J. Electrochem. Soc. 2016, 163, A2211.
57. D. Lin, Y. Liu, Z. Liang, H.-W. Lee, J. Sun, H. Wang, K. Yan, J. Xie, Y. Cui, Nat. Nano 2016, 11, 626.
58. W. Xu, J. Wang, F. Ding, X. Chen, E. Nasybulin, Y. Zhang, J.-G. Zhang, Energy Environ. Sci. 2014, 7, 513.
59. A. Basile, A. I. Bhatt, A. P. O'Mullane, Nat. Commun. 2016, 7, 11794.
60. R. Miao, J. Yang, X. Feng, H. Jia, J. Wang, Y. Nuli, J. Power Sources 2014, 271, 291.
61. R. Miao, J. Yang, Z. Xu, J. Wang, Y. Nuli, L. Sun, Sci. Rep. 2016, 6, 21771.
62. H. Yoon, P. C. Howlett, A. S. Best, M. Forsyth, D. R. MacFarlane, J. Electrochem. Soc. 2013, 160, A1629.
63. S.-K. Jeong, H.-Y. Seo, D.-H. Kim, H.-K. Han, J.-G. Kim, Y. B. Lee, Y. Iriyama, T. Abe, Z. Ogumi, Electrochem. Commun. 2008, 10, 635.
64. L. Suo, O. Borodin, W. Sun, X. Fan, C. Yang, F. Wang, T. Gao, Z. Ma, M. Schroeder, A. von Cresce, S. M. Russell, M. Armand, A. Angell, K. Xu, C. Wang, Angew. Chem. Int. Ed. 2016, 55, 7136.
65. L. Pin, M. Qiang, F. Zheng, M. Jie, H. Yong-Sheng, Z. Zhi-Bin, L. Hong, H. Xue-Jie, C. Li-Quan, Chin. Phys. B 2016, 25, 078203.
66. J. Zheng, P. Yan, D. Mei, M. H. Engelhard, S. S. Cartmell, B. J. Polzin, C. Wang, J.-G. Zhang, W. Xu, Adv. Energy Mater. 2016, 6, 1502151.
67. J. Qian, B. D. Adams, J. Zheng, W. Xu, W. A. Henderson, J. Wang, M. E. Bowden, S. Xu, J. Hu, J.-G. Zhang, Adv. Funct. Mater. 2016, 26, 7094.
68. Z. W. Seh, J. Sun, Y. Sun, Y. Cui, ACS Cent. Sci. 2015, 1, 449.
69. R. Cao, K. Mishra, X. Li, J. Qian, M. H. Engelhard, M. E. Bowden, K. S. Han, K. T. Mueller, W. A. Henderson, J.-G. Zhang, Nano Energy 2016, 30, 825.
70. A. Manthiram, S.-H. Chung, C. Zu, Adv. Mater. 2015, 27, 1980.
71. J. Zheng, D. Lv, M. Gu, C. Wang, J.-G. Zhang, J. Liu, J. Xiao, J. Electrochem. Soc. 2013, 160, A2288.
72. R. Demir-Cakan, M. Morcrette, F. Nouar, C. Davoisne, T. Devic, D. Gonbeau, R. Dominko, C. Serre, G. Férey, J.-M. Tarascon, J. Am. Chem. Soc. 2011, 133, 16154;
73. R. Elazari, G. Salitra, A. Garsuch, A. Panchenko, D. Aurbach, Adv. Mater. 2011, 23, 5641;
74. J. Kim, D.-J. Lee, H.-G. Jung, Y.-K. Sun, J. Hassoun, B. Scrosati, Adv. Funct. Mater. 2013, 23, 1076;
75. H. Yao, G. Zheng, W. Li, M. T. McDowell, Z. Seh, N. Liu, Z. Lu, Y. Cui, Nano Lett. 2013, 13, 3385.
76. G. Zheng, Q. Zhang, J. J. Cha, Y. Yang, W. Li, Z. W. Seh, Y. Cui, Nano Lett. 2013, 13, 1265.
77. D. Aurbach, E. Pollak, R. Elazari, G. Salitra, C. S. Kelley, J. Affinito, J. Electrochem. Soc. 2009, 156, A694;
78. X. Liang, Z. Wen, Y. Liu, M. Wu, J. Jin, H. Zhang, X. Wu, J. Power Sources 2011, 196, 9839;
79. G. Zheng, Y. Yang, J. J. Cha, S. S. Hong, Y. Cui, Nano Lett. 2011, 11, 4462;
80. C. Barchasz, J.-C. Leprêtre, F. Alloin, S. Patoux, J. Power Sources 2012, 199, 322;
81. S. S. Zhang, J. Electrochem. Soc. 2012, 159, A920.
82. L. X. Yuan, J. K. Feng, X. P. Ai, Y. L. Cao, S. L. Chen, H. X. Yang, Electrochem. Commun. 2006, 8, 610;
83. J. Zheng, M. Gu, H. Chen, P. Meduri, M. H. Engelhard, J.-G. Zhang, J. Liu, J. Xiao, J. Mater. Chem. A 2013, 1, 8464.
84. E. S. Shin, K. Kim, S. H. Oh, W. I. Cho, Chem. Commun. 2013, 49, 2004;
85. M. Cuisinier, P. E. Cabelguen, B. D. Adams, A. Garsuch, M. Balasubramanian, L. F. Nazar, Energy Environ. Sci. 2014, 7, 2697;
86. S. Urbonaite, P. Novák, J. Power Sources 2014, 249, 497;
87. G. Li, W. Zhao, L. Liu, L. Chen, RSC Adv. 2015, 5, 54293;
88. H. Lu, Y. Yuan, Q. Yang, Z. Hou, Y. Lai, Ionics 2016, 22, 997.
89. Y. Z. Zhang, S. Liu, G. C. Li, G. R. Li, X. P. Gao, J. Mater. Chem. A 2014, 2, 4652.
90. R. Cao, J. Chen, K. S. Han, W. Xu, D. Mei, P. Bhattacharya, M. H. Engelhard, K. T. Mueller, J. Liu, J.-G. Zhang, Adv. Funct. Mater. 2016, 26, 3059.
91. H. Kim, F. Wu, J. T. Lee, N. Nitta, H.-T. Lin, M. Oschatz, W. I. Cho, S. Kaskel, O. Borodin, G. Yushin, Adv. Energy Mater. 2015, 5, 1401792.
92. J. Xiao, Adv. Energy Mater. 2015, 5, 1501102.
93. Y. Yang, M. T. McDowell, A. Jackson, J. J. Cha, S. S. Hong, Y. Cui, Nano Lett. 2010, 10, 1486;
94. M. Agostini, J. Hassoun, J. Liu, M. Jeong, H. Nara, T. Momma, T. Osaka, Y.-K. Sun, B. Scrosati, ACS Appl. Mater. Interfaces 2014, 6, 10924;
95. W. Zhou, X. Xiao, M. Cai, L. Yang, Nano Lett. 2014, 14, 5250;
96. A. Krause, S. Dörfler, M. Piwko, F. M. Wisser, T. Jaumann, E. Ahrens, L. Giebeler, H. Althues, S. Schädlich, J. Grothe, A. Jeffery, M. Grube, J. Brückner, J. Martin, J. Eckert, S. Kaskel, T. Mikolajick, W. M. Weber, Sci. Rep. 2016, 6, 27982.
97. J. Hassoun, B. Scrosati, Angew. Chem. Int. Ed. 2010, 49, 2371.
98. J. Brückner, S. Thieme, F. Böttger-Hiller, I. Bauer, H. T. Grossmann, P. Strubel, H. Althues, S. Spange, S. Kaskel, Adv. Funct. Mater. 2014, 24, 1284;
99. D. Lv, P. Yan, Y. Shao, Q. Li, S. Ferrara, H. Pan, G. L. Graff, B. Polzin, C. Wang, J.-g. Zhang, J. Liu, J. Xiao, Chem. Commun. 2015, 51, 13454.
100. A. Bhargav, M. Wu, Y. Fu, J. Electrochem. Soc. 2016, 163, A1543.
101. J. Lu, Y. Jung Lee, X. Luo, K. Chun Lau, M. Asadi, H.-H. Wang, S. Brombosz, J. Wen, D. Zhai, Z. Chen, D. J. Miller, Y. Sub Jeong, J.-B. Park, Z. Zak Fang, B. Kumar, A. Salehi-Khojin, Y.-K. Sun, L. A. Curtiss, K. Amine, Nature 2016, 529, 377;
102. J. Xiao, D. Mei, X. Li, W. Xu, D. Wang, G. L. Graff, W. D. Bennett, Z. Nie, L. V. Saraf, I. A. Aksay, J. Liu, J.-G. Zhang, Nano Lett. 2011, 11, 5071.
103. K. M. Abraham, J. Electrochem. Soc. 2015, 162, A3021;
104. W. Xu, V. V. Viswanathan, D. Wang, S. A. Towne, J. Xiao, Z. Nie, D. Hu, J.-G. Zhang, J. Power Sources 2011, 196, 3894;
105. J. Hassoun, F. Croce, M. Armand, B. Scrosati, Angew. Chem. Int. Ed. 2011, 50, 2999.
106. Z. Peng, S. A. Freunberger, Y. Chen, P. G. Bruce, Science 2012, 337, 563.
107. E. N. Nasybulin, W. Xu, B. L. Mehdi, E. Thomsen, M. H. Engelhard, R. C. Massé, P. Bhattacharya, M. Gu, W. Bennett, Z. Nie, C. Wang, N. D. Browning, J.-G. Zhang, ACS Appl. Mater. Interfaces 2014, 6, 14141.
108. F. Bardé, Y. Chen, L. Johnson, S. Schaltin, J. Fransaer, P. G. Bruce, J. Phys. Chem. C 2014, 118, 18892.
109. Y. Li, X. Wang, S. Dong, X. Chen, G. Cui, Adv. Energy Mater. 2016, 6, 1600751.
110. R. Younesi, G. M. Veith, P. Johansson, K. Edstrom, T. Vegge, Energy Environ. Sci. 2015, 8, 1905;
111. G. A. Elia, J.-B. Park, Y.-K. Sun, B. Scrosati, J. Hassoun, ChemElectroChem 2014, 1, 47.
112. I. M. Markus, G. Jones, J. M. García, J. Phys. Chem. C 2016, 120, 5949;
113. F. Li, T. Zhang, Y. Yamada, A. Yamada, H. Zhou, Adv. Energy Mater. 2013, 3, 532;
114. Y. Liu, L. Suo, H. Lin, W. Yang, Y. Fang, X. Liu, D. Wang, Y.-S. Hu, W. Han, L. Chen, J. Mater. Chem. A 2014, 2, 9020.
115. N. Togasaki, T. Momma, T. Osaka, J. Power Sources 2016, 307, 98.
116. Y. Shi, R. Miao, L. Li, J. Yang, J. Wang, Y. Nuli, RSC Adv. 2016, 6, 47820.
117. D. Doughty, E. P. Roth, Electrochem. Soc. Interface 2012, 21, 37.
118. Y. Wang, J. Yi, Y. Xia, Adv. Energy Mater. 2012, 2, 830;
119. N. Alias, A. A. Mohamad, J. Power Sources 2015, 274, 237.
120. G. Wang, L. Fu, N. Zhao, L. Yang, Y. Wu, H. Wu, Angew. Chem. Int. Ed. 2007, 46, 295;
121. G. J. Wang, N. H. Zhao, L. C. Yang, Y. P. Wu, H. Q. Wu, R. Holze, Electrochim. Acta 2007, 52, 4911.
122. R. Ruffo, C. Wessells, R. A. Huggins, Y. Cui, Electrochem. Commun. 2009, 11, 247;
123. H. Manjunatha, T. V. Venkatesha, G. S. Suresh, J. Solid State Electrochem. 2012, 16, 1941.
124. L. Suo, F. Han, X. Fan, H. Liu, K. Xu, C. Wang, J. Mater. Chem. A 2016, 4, 6639.
125. F. Wang, L. Suo, Y. Liang, C. Yang, F. Han, T. Gao, W. Sun, C. Wang, Adv. Energy Mater. 2017, 7, 1600922.
126. F. Ding, W. Xu, G. L. Graff, J. Zhang, M. L. Sushko, X. Chen, Y. Shao, M. H. Engelhard, Z. Nie, J. Xiao, X. Liu, P. V. Sushko, J. Liu, J.-G. Zhang, J. Am. Chem. Soc. 2013, 135, 4450.
127. Z. Hammadi, J.-P. Astier, R. Morin, S. Veesler, Cryst. Growth Des. 2007, 7, 1472.
128. D. Lu, J. Tao, P. Yan, W. A. Henderson, Q. Li, Y. Shao, M. L. Helm, O. Borodin, G. L. Graff, B. J. Polzin, C. Wang, M. H. Engelhard, J.-G. Zhang, J. J. De Yoreo, J. Liu, J. Xiao, Nano Lett. 2017, 17, 1602.
129. T. Doi, Y. Shimizu, M. Hashinokuchi, M. Inaba, J. Electrochem. Soc. 2017, 164, A6412.
130. Y. Ding, J. Yun, H. Liu, Z. Wan, M. Shen, L. Zhang, Q. Qu, H. Zheng, In Pure Appl. Chem. 2014, 86, 585.
131. Y.-S. Kim, S.-K. Jeong, J. Spectrosc. 2015, 2015, 323649.
132. Y. Yamada, M. Yaegashi, T. Abe, A. Yamada, Chem. Commun. 2013, 49, 11194.
133. R. Petibon, C. P. Aiken, L. Ma, D. Xiong, J. R. Dahn, Electrochim. Acta 2015, 154, 287.