Methods to control internal interfaces in lithium ion batteries often require sophisticated procedures to deposit coating layers or introduce interphases, which are typically difficult to apply. This particularly holds for protection from parasitic reactions at the current collector, which reflects an internal interface for the electrode composite material and the electrolyte. In this work, electrolyte formulations based on aliphatic cyclic nitriles, cyclopentane-1-carbonitrile and cyclohexane-1-carbonitrile, are introduced that allow for successful suppression of aluminum dissolution and control of internal interfaces under application-relevant conditions. Such nitrile-based electrolytes show higher intrinsic oxidative and thermal stabilities as well as similar capacity retentions in lithium nickel–manganese–cobalt oxide LiNi3/5Mn1/5Co1/5O2 (NMC622)||graphite based full cells compared to the state-of-the-art organic carbonate-based electrolytes, even when bis(trifluoro-methane)sulfonimide lithium salt is utilized. Moreover, the importance of relative permittivity, degree of ion dissociation, and viscosity of the applied electrolyte formulations for the protection of current collector interfaces is emphasized.

1.
M. M.
Thackeray
,
C.
Wolverton
, and
E. D.
Isaacs
,
Energy Environ. Sci.
5
,
7854
(
2012
).
2.
R.
Wagner
,
N.
Preschitschek
,
S.
Passerini
,
J.
Leker
, and
M.
Winter
,
J. Appl. Electrochem.
43
,
481
(
2013
).
3.
T.
Placke
,
R.
Kloepsch
,
S.
Dühnen
, and
M.
Winter
,
J. Solid State Electrochem.
21
,
1939
(
2017
).
4.
P.
Meister
,
H.
Jia
,
J.
Li
,
R.
Kloepsch
,
M.
Winter
, and
T.
Placke
,
Chem. Mater.
28
,
7203
(
2016
).
5.
R.
Schmuch
,
R.
Wagner
,
G.
Hörpel
,
T.
Placke
, and
M.
Winter
,
Nat. Energy
3
,
267
(
2018
).
6.
M.
Winter
and
J. O.
Besenhard
, in
Handbook of Battery Materials
(
VCH
,
Weinheim
,
1999
), p.
383
.
7.
M.
Winter
,
K.-C.
Möller
, and
J. O.
Besenhard
,
Lithium Batteries
(
Kluwer Academic Publishers
,
The Netherlands
,
2004
), p.
144
.
8.
G.-A.
Nazri
and
G.
Pistoia
,
Lithium Batteries - Science and Technology
(
Springer-Verlag
,
Berlin
,
2009
).
9.
M. W.
Yulia Arinicheva
,
S.
Lobe
,
C.
Dellen
,
D.
Fattakhova-Rohlfing
,
O.
Guillon
,
D.
Böhm
,
F.
Zoller
,
R.
Schmuch
,
J.
Li
,
M.
Winter
,
E.
Adamczyk
, and
V.
Pralong
, in
Advanced Ceramic Materials
, edited by
O.
Guillon
(
Elsevier
,
2020
), p.
549
.
10.
L.
Kong
,
H.-J.
Peng
,
J.-Q.
Huang
, and
Q.
Zhang
,
Nano Res.
10
,
4027
(
2017
).
11.
E.
Krämer
,
T.
Schedlbauer
,
B.
Hoffmann
,
L.
Terborg
,
S.
Nowak
,
H. J.
Gores
,
S.
Passerini
, and
M.
Winter
,
J. Electrochem. Soc.
160
,
A356
(
2013
).
12.
J.
Krummacher
,
L.-H.
Hess
, and
A.
Balducci
,
Chemsuschem
10
,
4178
(
2017
).
13.
J.
Krummacher
and
A.
Balducci
,
Chem. Mater.
30
,
4857
(
2018
).
14.
X.
Wang
,
E.
Yasukawa
, and
S.
Mori
,
Electrochim. Acta
45
,
2677
(
2000
).
15.
Y.
Yamada
,
C. H.
Chiang
,
K.
Sodeyama
,
J.
Wang
,
Y.
Tateyama
, and
A.
Yamada
,
Chemelectrochem
2
,
1687
(
2015
).
16.
P.
Meister
,
X.
Qi
,
R.
Kloepsch
,
E.
Krämer
,
B.
Streipert
,
M.
Winter
, and
T.
Placke
,
Chemsuschem
10
,
804
(
2017
).
17.
E.
Kramer
,
S.
Passerini
, and
M.
Winter
,
ECS Electrochem. Lett.
1
,
C9
(
2012
).
18.
A.
Heckmann
,
M.
Krott
,
B.
Streipert
,
S.
Uhlenbruck
,
M.
Winter
, and
T.
Placke
,
Chemphyschem
18
,
156
(
2017
).
19.
D. R.
Gallus
,
R.
Wagner
,
S.
Wiemers-Meyer
,
M.
Winter
, and
I.
Cekic-Laskovic
,
Electrochim. Acta
184
,
410
(
2015
).
20.
Y.
Qian
,
P.
Niehoff
,
M.
Börner
,
M.
Grützke
,
X.
Mönnighoff
,
P.
Behrends
,
S.
Nowak
,
M.
Winter
, and
F. M.
Schappacher
,
J. Power Sources
329
,
31
(
2016
).
21.
H.
Xie
,
Z.
Tang
,
Z.
Li
,
Y.
He
,
H.
Wang
, and
Y.
Liu
,
Electrochem. Solid-State Lett.
11
,
C19
(
2008
).
22.
F.
Li
,
Y.
Gong
,
G.
Jia
,
Q.
Wang
,
Z.
Peng
,
W.
Fan
, and
B.
Bai
,
J. Power Sources
295
,
47
(
2015
).
23.
L. J.
Krause
,
W.
Lamanna
,
J.
Summerfield
,
M.
Engle
,
G.
Korba
,
R.
Loch
, and
R.
Atanasoski
,
J. Power Sources
68
,
320
(
1997
).
24.
D.
Di Censo
,
I.
Exnar
, and
M.
Graetzel
,
Electrochem. Commun.
7
,
1000
(
2005
).
25.
B.
Streipert
,
S.
Röser
,
J.
Kasnatscheew
,
P.
Janßen
,
X.
Cao
,
R.
Wagner
,
I.
Cekic-Laskovic
, and
M.
Winter
,
J. Electrochem. Soc.
164
,
A1474
(
2017
).
28.
K.
Brandt
,
Solid State Ionics
69
,
173
(
1994
).
29.
I.
Cekic-Laskovic
,
N.
von Aspern
,
L.
Imholt
,
S.
Kaymaksiz
,
K.
Oldiges
,
B. R.
Rad
, and
M.
Winter
,
Topics Curr. Chem.
375
,
37
(
2017
).
30.
S.
Nowak
and
M.
Winter
,
J. Electrochem. Soc.
162
,
A2500
(
2015
).
31.
C. L.
Campion
,
W.
Li
, and
B. L.
Lucht
,
J. Electrochem. Soc.
152
,
A2327
(
2005
).
32.
R.
Wagner
,
M.
Korth
,
B.
Streipert
,
J.
Kasnatscheew
,
D. R.
Gallus
,
S.
Brox
,
M.
Amereller
,
I.
Cekic-Laskovic
, and
M.
Winter
,
ACS Appl. Mater. Interfaces
8
,
30871
(
2016
).
33.
J.
Kasnatscheew
,
M.
Evertz
,
B.
Streipert
,
R.
Wagner
,
R.
Klöpsch
,
B.
Vortmann
,
H.
Hahn
,
S.
Nowak
,
M.
Amereller
,
A.-C.
Gentschev
,
P.
Lamp
, and
M.
Winter
,
Phys. Chem. Chem. Phys.
18
,
3956
(
2016
).
34.
Y.
Yamada
,
K.
Furukawa
,
K.
Sodeyama
,
K.
Kikuchi
,
M.
Yaegashi
,
Y.
Tateyama
, and
A.
Yamada
,
J. Am. Chem. Soc.
136
,
5039
(
2014
).
35.
J.
Kasnatscheew
,
B.
Streipert
,
S.
Röser
,
R.
Wagner
,
I.
Cekic Laskovic
, and
M.
Winter
,
Phys. Chem. Chem. Phys.
19
,
16078
(
2017
).
36.
M.
Winter
,
Z. Phys. Chem.
223
,
1395
(
2009
).
37.
H. J.
Santner
,
K.-C.
Möller
,
J.
Ivančo
,
M. G.
Ramsey
,
F. P.
Netzer
,
S.
Yamaguchi
,
J. O.
Besenhard
, and
M.
Winter
,
J. Power Sources
119-121
,
368
(
2003
).
38.
C.
Korepp
,
H. J.
Santner
,
T.
Fujii
,
M.
Ue
,
J. O.
Besenhard
,
K.-C.
Möller
, and
M.
Winter
,
J. Power Sources
158
,
578
(
2006
).
39.
S.
Brox
,
S.
Röser
,
T.
Husch
,
S.
Hildebrand
,
O.
Fromm
,
M.
Korth
,
M.
Winter
, and
I.
Cekic-Laskovic
,
Chemsuschem
9
,
1704
(
2016
).
40.
S.
Brox
,
S.
Röser
,
B.
Streipert
,
S.
Hildebrand
,
U.
Rodehorst
,
X.
Qi
,
R.
Wagner
,
M.
Winter
, and
I.
Cekic-Laskovic
,
ChemElectroChem
4
,
304
(
2017
).
41.
A. J.
Gmitter
,
I.
Plitz
, and
G. G.
Amatucci
,
J. Electrochem. Soc.
159
,
A370
(
2012
).
42.
P.
Hilbig
,
L.
Ibing
,
M.
Winter
, and
I.
Cekic-Laskovic
,
Energies
12
,
2869
(
2019
).
43.
P.
Hilbig
,
L.
Ibing
,
B.
Streipert
,
R.
Wagner
,
M.
Winter
, and
I.
Cekic-Laskovic
,
Curr. Top. Electrochem.
20
,
1
(
2018
).
44.
S.-D.
Han
,
O.
Borodin
,
D. M.
Seo
,
Z.-B.
Zhou
, and
W. A.
Henderson
,
J. Electrochem. Soc.
161
,
A2042
(
2014
).
45.
R.
Rohan
,
T.-C.
Kuo
,
J.-H.
Lin
,
Y.-C.
Hsu
,
C.-C.
Li
, and
J.-T.
Lee
,
J. Phys. Chem. C
120
,
6450
(
2016
).
46.
P.
Isken
,
C.
Dippel
,
R.
Schmitz
,
R. W.
Schmitz
,
M.
Kunze
,
S.
Passerini
,
M.
Winter
, and
A.
Lex-Balducci
,
Electrochim. Acta
56
,
7530
(
2011
).
47.
J.
Kalhoff
,
G. G.
Eshetu
,
D.
Bresser
, and
S.
Passerini
,
Chemsuschem
8
,
2154
(
2015
).
48.
L. A.
Dominey
,
V. R.
Koch
, and
T. J.
Blakley
,
Electrochim. Acta
37
,
1551
(
1992
).
49.
R.
Noelle
,
K.
Beltrop
,
F.
Holtstiege
,
J.
Kasnatscheew
,
T.
Placke
, and
M.
Winter
,
Mater. Today
32
,
131
146
(
2019
).
50.
L.
Ibing
,
T.
Gallasch
,
P.
Schneider
,
P.
Niehoff
,
A.
Hintennach
,
M.
Winter
, and
F. M.
Schappacher
,
J. Power Sources
423
,
183
(
2019
).
51.
F.
La Mantia
,
C. D.
Wessells
,
H. D.
Deshazer
, and
Y.
Cui
,
Electrochem. Commun.
31
,
141
(
2013
).
52.
J.
Costard
,
M.
Ender
,
M.
Weiss
, and
E.
Ivers-Tiffée
,
J. Electrochem. Soc.
164
,
A80
(
2017
).
53.
J.
Kasnatscheew
,
R. W.
Schmitz
,
R.
Wagner
,
M.
Winter
, and
R.
Schmitz
,
J. Electrochem. Soc.
160
,
A1369
(
2013
).
54.
Y.
Zhao
,
N. E.
Schultz
, and
D. G.
Truhlar
,
J. Chem. Theory Comput.
2
,
364
(
2006
).
55.
L. A.
Curtiss
,
P. C.
Redfern
, and
K.
Raghavachari
,
J. Chem. Phys.
126
,
084108
(
2007
).
56.
L. A.
Curtiss
,
P. C.
Redfern
, and
K.
Raghavachari
,
J. Chem. Phys.
127
,
124105
(
2007
).
57.
L. A.
Curtiss
,
P. C.
Redfern
, and
K.
Raghavachari
,
Wiley Interdiscip. Rev.: Comput. Mol. Sci.
1
,
810
(
2011
).
58.
A. V.
Marenich
,
C. J.
Cramer
, and
D. G.
Truhlar
,
J. Phys. Chem. B
113
,
6378
(
2009
).
59.
O.
Borodin
,
W.
Behl
, and
T. R.
Jow
,
J. Phys. Chem. C
117
,
8661
(
2013
).
60.
M.
Korth
,
Phys. Chem. Chem. Phys.
16
,
7919
(
2014
).
61.
O.
Borodin
,
M.
Olguin
,
C. E.
Spear
,
K. W.
Leiter
, and
J.
Knap
,
Nanotechnology
26
,
354003
(
2015
).
62.
O.
Borodin
,
X.
Ren
,
J.
Vatamanu
,
A.
von Wald Cresce
,
J.
Knap
, and
K.
Xu
,
Acc. Chem. Res.
50
,
2886
(
2017
).
63.
S.
Tan
,
Y. J.
Ji
,
Z. R.
Zhang
, and
Y.
Yang
,
Chemphyschem
15
,
1956
(
2014
).
64.
J.
Oh
,
D.
Jin
,
K.
Kim
,
D.
Song
,
Y. M.
Lee
, and
M.-H.
Ryou
,
ACS Omega
2
,
8438
(
2017
).
65.
G. J.
Xu
,
P. X.
Han
,
S. M.
Dong
,
H. S.
Liu
,
G. L.
Cui
, and
L. Q.
Chen
,
Coord. Chem. Rev.
343
,
139
(
2017
).
66.
M. W.
Rupich
,
L.
Pitts
, and
K. M.
Abraham
,
J. Electrochem. Soc.
129
,
1857
(
1982
).
67.
K.
Oldiges
,
N.
von Aspern
,
I.
Cekic-Laskovic
,
M.
Winter
, and
G.
Brunklaus
,
J. Electrochem. Soc.
165
,
A3773
(
2018
).
68.
Y.
Horowitz
,
I.
Ben-Barak
,
D.
Schneier
,
M.
Goor-Dar
,
J.
Kasnatscheew
,
P.
Meister
,
M.
Grünebaum
,
H. D.
Wiemhöfer
,
M.
Winter
,
D.
Golodnitsky
, and
E.
Peled
,
Batteries Supercaps
2
,
213
(
2019
).
69.
H. F.
Xiang
,
B.
Yin
,
H.
Wang
,
H. W.
Lin
,
X. W.
Ge
,
S.
Xie
, and
C. H.
Chen
,
Electrochim. Acta
55
,
5204
(
2010
).
70.
M.
Montanino
,
M.
Moreno
,
M.
Carewska
,
G.
Maresca
,
E.
Simonetti
,
R.
Lo Presti
,
F.
Alessandrini
, and
G. B.
Appetecchi
,
J. Power Sources
269
,
608
(
2014
).
71.
J.-P.
Hoffknecht
,
M.
Drews
,
X.
He
, and
E.
Paillard
,
Electrochim. Acta
250
,
25
(
2017
).
72.
D. R.
Gallus
,
R.
Schmitz
,
R.
Wagner
,
B.
Hoffmann
,
S.
Nowak
,
I.
Cekic-Laskovic
,
R. W.
Schmitz
, and
M.
Winter
,
Electrochim. Acta
134
,
393
(
2014
).
73.
A.
Hofmann
,
M.
Schulz
,
V.
Winkler
, and
T.
Hanemann
,
J. Electrochem. Soc.
161
,
A431
(
2014
).
74.
A. N.
Kirshnamoorthy
,
K.
Oldiges
,
M.
Winter
,
A.
Heuer
,
I.
Cekic-Laskovic
,
C.
Holm
, and
J.
Smiatek
,
Phys. Chem. Chem. Phys.
20
,
25701
(
2018
).
75.
L.
Aguilera
,
J.
Scheers
, and
A.
Matic
,
Phys. Chem. Chem. Phys.
18
,
25458
(
2016
).
76.
R.-S.
Kühnel
and
A.
Balducci
,
J. Phys. Chem. C
118
,
5742
(
2014
).
77.
M.
Castriota
,
T.
Caruso
,
R. G.
Agostino
,
E.
Cazzanelli
,
W. A.
Henderson
, and
S.
Passerini
,
J. Phys. Chem. A
109
,
92
(
2005
).
78.
S.
Menne
,
T.
Vogl
, and
A.
Balducci
,
Phys. Chem. Chem. Phys.
16
,
5485
(
2014
).
79.
K.
Oldiges
,
D.
Diddens
,
M.
Ebrahiminia
,
J. B.
Hooper
,
I.
Cekic-Laskovic
,
A.
Heuer
,
D.
Bedrov
,
M.
Winter
, and
G.
Brunklaus
,
Phys. Chem. Chem. Phys.
20
,
16579
(
2018
).
80.
D.
Farhat
,
F.
Ghamouss
,
J.
Maibach
,
K.
Edström
, and
D.
Lemordant
,
Chemphyschem
18
,
1333
(
2017
).
81.
R. M.
Fuoss
and
C. A.
Kraus
,
J. Am. Chem. Soc.
79
,
3304
(
1957
).
82.
Y.
Abu-Lebdeh
and
I.
Davidson
,
J. Electrochem. Soc.
156
,
A60
(
2009
).
83.
Y.
Yamada
and
A.
Yamada
,
J. Electrochem. Soc.
162
,
A2406
(
2015
).
84.
A.
Webber
,
J. Electrochem. Soc.
138
,
2586
(
1991
).
85.
K.
Borzutzki
,
J.
Thienenkamp
,
M.
Diehl
,
M.
Winter
, and
G.
Brunklaus
,
J. Mater. Chem. A
7
,
188
(
2019
).
86.
M.
Singh
,
J.
Kaiser
, and
H.
Hahn
,
J. Electrochem. Soc.
162
,
A1196
(
2015
).
87.
Q.
Wang
,
C.-H.
Shen
,
S.-Y.
Shen
,
Y.-F.
Xu
,
C.-G.
Shi
,
L.
Huang
,
J.-T.
Li
, and
S.-G.
Sun
,
ACS Appl. Mater. Interfaces
9
,
24731
(
2017
).
88.
A.
Friesen
,
F.
Horsthemke
,
X.
Mönnighoff
,
G.
Brunklaus
,
R.
Krafft
,
M.
Börner
,
T.
Risthaus
,
M.
Winter
, and
F. M.
Schappacher
,
J. Power Sources
334
,
1
(
2016
).
89.
N.
Katayama
,
T.
Kawamura
,
Y.
Baba
, and
J.-i.
Yamaki
,
J. Power Sources
109
,
321
(
2002
).
90.
M.
Grützke
,
X.
Mönnighoff
,
F.
Horsthemke
,
V.
Kraft
,
M.
Winter
, and
S.
Nowak
,
RSC Adv.
5
,
43209
(
2015
).
91.
X.
Mönnighoff
,
A.
Friesen
,
B.
Konersmann
,
F.
Horsthemke
,
M.
Grützke
,
M.
Winter
, and
S.
Nowak
,
J. Power Sources
352
,
56
(
2017
).
92.
Q. S.
Wang
,
J. H.
Sun
,
X. L.
Yao
, and
C. H.
Chen
,
J. Electrochem. Soc.
153
,
A450
(
2006
).
93.
J.
Kim
,
J. G.
Lee
,
H. S.
Kim
,
T. J.
Lee
,
H.
Park
,
J. H.
Ryu
, and
S. M.
Oh
,
J. Electrochem. Soc.
164
,
A3699
(
2017
).
94.
T.
Yoon
,
M. S.
Milien
,
B. S.
Parimalam
, and
B. L.
Lucht
,
Chem. Mater.
29
,
3237
(
2017
).

Supplementary Material

You do not currently have access to this content.