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Lithium isotope fractionation as an early indicator of degradation mechanisms in lithium-ion batteries

  • Aging in lithium-ion batteries (LIBs) degrades performance and hinders sustainability, demanding advanced diagnostics for early failure prediction. We investigate lithium isotope fractionation (LIF) as an innovative probe of degradation in lithium cobalt oxide (LCO) coin cells aged over 0−700 cycles. High-precision multi-collector inductively coupled plasma mass spectrometry (MC-ICP-MS) quantified δ7Li variations across cell stages: non-cycled (0 cycles), newly formed (5 cycles), semi-aged (250 cycles), and fully aged (700 cycles). During early cycling (≤ 45 cycles), chemical processes drive 7Li enrichment at the anode (δ7Li vs LSVEC = +12 ‰) through solid electrolyte interphase (SEI) formation, while the cathode depletes in 7Li (δ7Li vs LSVEC = −0.7 ‰). Beyond 45 cycles, electric field-induced migration predominates, promoting 6Li intercalation into the anode and increasing the δ7Li of the cathode by 8.1 ‰. Mass balance verifies isotope conservation, attributing shifts toAging in lithium-ion batteries (LIBs) degrades performance and hinders sustainability, demanding advanced diagnostics for early failure prediction. We investigate lithium isotope fractionation (LIF) as an innovative probe of degradation in lithium cobalt oxide (LCO) coin cells aged over 0−700 cycles. High-precision multi-collector inductively coupled plasma mass spectrometry (MC-ICP-MS) quantified δ7Li variations across cell stages: non-cycled (0 cycles), newly formed (5 cycles), semi-aged (250 cycles), and fully aged (700 cycles). During early cycling (≤ 45 cycles), chemical processes drive 7Li enrichment at the anode (δ7Li vs LSVEC = +12 ‰) through solid electrolyte interphase (SEI) formation, while the cathode depletes in 7Li (δ7Li vs LSVEC = −0.7 ‰). Beyond 45 cycles, electric field-induced migration predominates, promoting 6Li intercalation into the anode and increasing the δ7Li of the cathode by 8.1 ‰. Mass balance verifies isotope conservation, attributing shifts to redistribution and trapping. Complementary electrochemical impedance spectroscopy (EIS) and X-ray absorption spectroscopy and diffraction confirm SEI expansion, cobalt oxidation, lattice shrinkage, and changes in electrode structure, corroborating LIF trends. Notably, a δ7Li inflection at approximately 270 cycles anticipates end-of-life by 70 cycles, surpassing traditional methods in sensitivity. LIF emerges as a predictive indicator of aging mechanisms, informing optimized designs for durable LIBs.zeige mehrzeige weniger

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Autor*innen:Dalia Morcillo, Marcus OelzeORCiD, Pranav Seena Prem, Ana de Oliveira Guilherme BuzanichORCiD, Franziska EmmerlingORCiD, Sebastian Recknagel, Ulrich PanneORCiD, Carlos Enrique Abad AndradeORCiD
Dokumenttyp:Preprint
Veröffentlichungsform:Graue Literatur
Sprache:Englisch
Titel des übergeordneten Werkes (Englisch):ChemRxiv
Jahr der Erstveröffentlichung:2025
Organisationseinheit der BAM:1 Analytische Chemie; Referenzmaterialien
1 Analytische Chemie; Referenzmaterialien / 1.1 Anorganische Spurenanalytik
1 Analytische Chemie; Referenzmaterialien / 1.6 Anorganische Referenzmaterialien und Gasanalytik
6 Materialchemie
6 Materialchemie / 6.3 Strukturanalytik
P Präsident
P Präsident / P.0 Präsident und andere
Veröffentlichende Institution:Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM)
Erste Seite:1
Letzte Seite:19
DDC-Klassifikation:Naturwissenschaften und Mathematik / Chemie / Analytische Chemie
Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften / Ingenieurwissenschaften / Angewandte Physik
Freie Schlagwörter:Degradation mechanisms; Isotopic tracing; LCO; LiCoO2 cathodes; Lithium isotope fractionation; Lithium isotopes; Lithium-ion batteries
Themenfelder/Aktivitätsfelder der BAM:Chemie und Prozesstechnik
Chemie und Prozesstechnik / Chemische Charakterisierung und Spurenanalytik
Energie
Energie / Elektrische Energiespeicher und -umwandlung
DOI:10.26434/chemrxiv-2025-16lvq
URN:urn:nbn:de:kobv:b43-650945
Verfügbarkeit des Dokuments:Datei für die Öffentlichkeit verfügbar ("Open Access")
Lizenz (Deutsch):License LogoCreative Commons - CC BY - Namensnennung 4.0 International
Datum der Freischaltung:15.12.2025
Referierte Publikation:Nein
Schriftenreihen ohne Nummerierung:Preprints der BAM
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