69
ET14003 Examensarbete 30 hp November 2014 Insights into the morphological changes undergone by the anode in the lithium sulphur battery system Anurag Yalamanchili Masterprogrammet i energiteknik Master Programme in Energy Technology

Insights into the morphological changes undergone by the anode …765276/FULLTEXT02.pdf · 2014-11-21 · I would like to express my greatest gratitude to my parents, Madhavi and

  • Upload
    others

  • View
    1

  • Download
    0

Embed Size (px)

Citation preview

Page 1: Insights into the morphological changes undergone by the anode …765276/FULLTEXT02.pdf · 2014-11-21 · I would like to express my greatest gratitude to my parents, Madhavi and

ET14003

Examensarbete 30 hpNovember 2014

Insights into the morphological changes undergone by the anode in the lithium sulphur battery system

Anurag Yalamanchili

Masterprogrammet i energiteknikMaster Programme in Energy Technology

Page 2: Insights into the morphological changes undergone by the anode …765276/FULLTEXT02.pdf · 2014-11-21 · I would like to express my greatest gratitude to my parents, Madhavi and
Page 3: Insights into the morphological changes undergone by the anode …765276/FULLTEXT02.pdf · 2014-11-21 · I would like to express my greatest gratitude to my parents, Madhavi and

To my beloved grandparents:  

Yalamanchili Satya Lakshmi Devi Yalamanchili Umamaheshwara Rao, R.I.P. 

Karnati Jhansi Lakshmi, R.I.P. Karnati Venkateshwarlu, R.I.P. 

 

Page 4: Insights into the morphological changes undergone by the anode …765276/FULLTEXT02.pdf · 2014-11-21 · I would like to express my greatest gratitude to my parents, Madhavi and

Teknisk- naturvetenskaplig fakultet UTH-enheten Besöksadress: Ångströmlaboratoriet Lägerhyddsvägen 1 Hus 4, Plan 0 Postadress: Box 536 751 21 Uppsala Telefon: 018 – 471 30 03 Telefax: 018 – 471 30 00 Hemsida: http://www.teknat.uu.se/student

Abstract

Insights into the morphological changes undergone bythe anode in the lithium sulphur battery system

Anurag Yalamanchili

In this thesis, the morphological changes of the anode surface in lithium sulphur cell,during early cycling, were simulated using symmetrical lithium electrode cells withdissolved polysulphides (PS) in the electrolyte. Electron microscopy (SEM) was usedas the principal investigation technique to study and record the morphologicalchanges. The resulting images from the SEM were analysed and discussed. The initialsurface structure of the lithium anode largely influenced the ensuing morphologicalchanges taking place through lithium dissolution (pits) and lithium deposition(dendrites) during discharge and charge respectively. The rate of lithium dissolutionand deposition was found to be linearly proportional to the current density applied tothe cell and the effect of cycling on the anode was proportional to the total charge ofthe cell in general in agreement with the expected reaction. The effect ofself-discharge on the anode was also studied using photoelectron spectroscopy (XPS)in tandem with SEM. The results indicated that self-discharge, occurring in the form ofcorrosion of the anode SEI by PS reduction, was influenced by the alteredmorphology of the cell after cycling.The findings presented in this project can be understood as a preliminary descriptionfor the morphological changes in the anode and their influence in the performance oflithium sulphur battery, which can be further investigated by more advanced methods.

Tryckt av: Ångström Laboratoriet, Uppsala UniversitetET14 003Examinator: Roland MathieuÄmnesgranskare: Daniel BrandellHandledare: Carl Tengstedt och Matthew Lacey

Page 5: Insights into the morphological changes undergone by the anode …765276/FULLTEXT02.pdf · 2014-11-21 · I would like to express my greatest gratitude to my parents, Madhavi and

Populärvetenskaplig Sammanfattning 

i  

Populärvetenskaplig Sammanfattning 

Petroleumbaserade bränslen används flitigt globalt sett idag och transportsektorns oljekonsumtion står 

för 19 % av världens totala energikonsumtion, framför allt på grund av vägtransporter. De två 

karaktäristiska storheterna som avgör en energikällas användbarhet i transporter är energin per 

massenhet (specifik energi) och energin per volymsenhet (energidensiteten). Bensin (12.2 kWh/kg; 8.9 

kWh/L) och diesel (11.9 kWh/kg; 10.1 kWh/L) utgör idag de dominerande oljebaserade flytande 

bränslena beroende på möjligheterna till transport och lagring. Emellertid bidrar fossila bränslen till 

växthuseffekten genom emissioner som uppstår under förbränning, framför allt av koldioxid (CO2), 

vilket bidrar till global uppvärmning. Detta har lett till utvecklingen av alternativa energikällor för 

transportsektorn. Användningen av biobränslen och nya energilagringsenheter utgör strategier för att 

ersätta petroleumbaserade bränslen. Kemisk energilagring, där batterier används för att lagra elektrisk 

energi från förnybara källor och för att driva elektriska fordon, är en löftesrik teknik för att förändra 

transportsektorn.      

Litiumbaserade sekundära batterier är idag mycket utnyttjade inom portabel elektronik och undersöks 

därför för tillämpningar i elfordon. Litiummetallbatterier bestående av metalliskt litium som anod har 

studerats i ca 40 år. Metalliskt litium har en mycket hög teoretisk kapacitet (3860 mAh/g) och låg 

densitet (590 kg/m3), vilket gör materialet idealt för mobila och portabla tillämpningar. En rad 

utmaningar hindrar dock kommersialiseringen av tekniken. De två huvudsakliga problemen har varit 

säkerhetsproblem som grundas i potentiella inre kortslutningar och den stora ytarean hos den reaktiva 

litiummetallen, samt litiummetallens oförmåga att behålla sin kapacitet över ett stort antal upp‐ och 

urladdningscykler (låg cyklingseffektivitet). Båda dessa problem har att göra med ytförändringar hos 

litiumelektroden.    

Den tidigare forskningen på litiumbatterier genererade en alternativ teknik, litium‐jonbatteriet (LIB), 

vilket så småningom attraherade ett större intresse än litiummetallbatteriet. LIB består i allmänhet av 

litiumjoner som sätts in i en värdstruktur (som t ex grafit). Den reversibla insättningen av litiumjoner (s k 

interkalation) i anoden under upp‐ och urladdning skapade en stabil elektrokemi över en längre 

cyklingsperiod, och gav därmed en hög cyklingseffektivitet. Dock är kapaciteten begränsad i ett LIB; den 

teoretiska specifika energidensiteten i ett typiskt LIB är 387 Wh/kg. Trots den rätt låga energidensiteten 

har LIB‐tekniken introducerats brett bland elfordon under det senaste decenniet, som i halvkombin 

Page 6: Insights into the morphological changes undergone by the anode …765276/FULLTEXT02.pdf · 2014-11-21 · I would like to express my greatest gratitude to my parents, Madhavi and

Populärvetenskaplig Sammanfattning 

ii  

Nissan Leaf. LIB har dock begränsats av sin teoretiska kapacitet och dess nuvarande praktiska specifika 

energi (160 Wh/kg) möter inte de långsiktiga målen för kommersiella elfordon så att transportindustrin 

kan ersätta fossila bränslen.   

Nyliga upptäckter inom kemisk energilagring för elfordon har dock förnyat intresset för 

litiummetallbatterier, vilka har högre kapacitet än LIB. En nästa generations batteriteknologi, litium‐

svavelbatterier (LiSB) med en teoretisk specifik energi på 2500 Wh/kg, betraktas som nära praktisk 

användning i elfordon. Dock kvarstår problemen associerade med cyklingseffektivitet och säkerhet som 

identifierats för litiummetallbatterier de senaste 40 åren. Sion Power kunde uppvisa ett prototypsystem 

för LiSB som gav mellan 350 Wh/kg och 600 Wh/kg, men LiSB‐batterierna klarade inte av att vidhålla 

kapaciteten som sjönk med 20 % efter 30‐60 cykler till skillnad från målet på 1000 cykler. Dessutom är 

LiSB behäftat med allvarliga säkerhetsproblem associerade till litiummetallbatterier. Ett unikt problem 

för LiSB är den komplicerade kemiska process som uppträder i cellen under cykling, och vilken resulterar 

i reducerad kapacitet och kort livslängd, vilket också delvis har associerats med anoden. Medan många 

studier har utförts på LiSB under det senaste decenniet har endast en mindre del studerat anoden och 

dess degradering.  

Det här projektet syftar till att undersöka olika felmekanismer som uppstår via litiummetallanoden i ett 

LiSB, och att hitta faktorerna som initierar dem genom att studera morfologin på anodens yta under 

varierande grad av cykling. Elektronmikroskopi, en enkel men precis teknik, används för att skapa en bild 

av anodens ytor i ett LiSB.  

 

Page 7: Insights into the morphological changes undergone by the anode …765276/FULLTEXT02.pdf · 2014-11-21 · I would like to express my greatest gratitude to my parents, Madhavi and

Acknowledgements 

iii  

Acknowledgements 

First and foremost, I would like to thank Kristina Edström, head of the Ångström Advanced Battery 

Group at Uppsala University and Jarmo Tamminen, head of the Division of Materials Technology for 

Hybrid Electronics as Scania CV AB for providing me with the opportunity to work with in this 

collaborative project. 

I sincerely express my gratitude to my supervisors Matthew Lacey and Carl Tengstedt for their 

unwavering support and patience for my work throughout this project. Matt, it has been a pleasure to 

work with you the past few months and without your guidance and clarity, this project would not have 

been completed. I thank you very much for your confidence in my ability to successfully complete my 

thesis. Carl, I cannot thank you sufficiently for everything you did for me, from introducing me material 

studies, to dedicating your time over and above the requirement to help me write up a good report and 

more importantly make a good presentation. Both of you never gave up on me and your motivations 

have inspired me greatly. Working with the both of you has been immensely beneficial and a lot fun at 

the same time. I wish you all the best and hope to stay in touch.  

I am also indebted to my thesis reviewer, Daniel Brandell for his feedback and direction in this thesis. 

Your feedback was very useful in refining report and also, thank you very much for translating my 

popular summary to Swedish. 

I thank Julia Maibach for introducing me to photoelectron spectroscopy and her help in using the XPS 

system and studying the self‐discharge experiment. Your help and feedback has really helped me 

improve my thesis and report. I extend my gratitude to Fabian Jeschull for his general support and 

guidance with my project and his technical support in the lab as well. Thank you both for your support 

during my defence as well. A special appreciation for Dan Persson from Swerea KIMAB for his visit to 

Uppsala and his expertise in corrosion science. I am grateful to Tomas Nyberg, my examiner for his 

assurance to let me complete my project despite my logistical challenges. I appreciate Karl Bengtsson 

Bernander, my student opponent for your feedback on my report. I thank Henrik Eriksson for technical 

support in the lab. Also I acknowledge the help provided by Chao Xu, Pontus Svens, Ali Rafieefar and 

Paulius Malinovskis. 

I would like to express my greatest gratitude to my parents, Madhavi and Prasad and my sister, Chetana. 

Lastly, a shout‐out to my friends, Mujtaba, Mirish, Frank, Sashank, Goverdhan, Rizwan and Anand for 

making what would have been a very difficult time in Germany very enjoyable. You’re all awesome!

Page 8: Insights into the morphological changes undergone by the anode …765276/FULLTEXT02.pdf · 2014-11-21 · I would like to express my greatest gratitude to my parents, Madhavi and

Abbreviations and Definitions 

iv 

Abbreviations and Definitions 

Definitions 

Anion  The negative charge carrier in the cell 

Anode  The electrode from which positive charges are extracted in a cell 

during discharge 

Cation  The positive charge carrier in the cell 

Cathode  The electrode from which negative charges are extracted in a cell 

during discharge 

Current density (J) (A/m2)  Amount of current applied per unit area of the electrode surface 

Cycling  Repeated process of charge and discharge of a cell 

Cycling efficiency  Ability to retain initial charge capacity over multiple cycles 

Dendrites  Ramified deposits of lithium found on the lithium metal surface from 

deposition during charge 

Disproportionation  Simultaneous oxidation and reduction of a species to form two 

separate products 

Glyme  a group of solvents based on alkyl ethers of ethylene glycol or 

propylene glycol that are capped by methyl groups 

Gravimetric energy density or 

Specific energy (kWh/kg) 

Amount of energy per unit mass 

Groove line  The imprint of stresses caused by rollers involved in the 

manufacturing of lithium 

Half‐cell reaction  Part of the overall cell reaction taking place at a particular electrode 

Oxidation  Loss of an electron by an atom, ion or a molecule leading to an 

increase in the oxidation state 

Pits  Cavities formed on the lithium metal surface from dissolution during 

discharge 

Polysulphides  A group of sulphur compounds containing multiple chains of sulphur 

atoms that stay dissolved in the electrolyte at the end of a charge or 

discharge process 

Page 9: Insights into the morphological changes undergone by the anode …765276/FULLTEXT02.pdf · 2014-11-21 · I would like to express my greatest gratitude to my parents, Madhavi and

Abbreviations and Definitions 

Redox  A chemical reaction in which the reactant atoms undergo a change in 

their oxidation state 

Reduction  Gain of an electron by an atom, ion or a molecule leading to a 

decrease in the oxidation state 

Self‐discharge  A phenomenon where a cell loses its charge in open circuit conditions 

Shuttle  A phenomenon in lithium sulphur batteries where dissolved 

polysulphide ions are repetitively reduced at the anode during 

discharge and oxidised at the cathode during the subsequent charge 

over multiple cycles 

Volumetric energy density 

(kWh/m3) 

Amount of energy per unit volume 

Abbreviations 

General 

LIB  Lithium ion battery 

LiSB  Lithium sulphur battery 

SEI  Solid Electrolyte Interface 

PS  Polysulphide 

Li‐S  Lithium‐sulphur cell 

Li‐Li  Symmetrical lithium electrode cell 

Eavg  Average cell voltage 

µa/c  Ionic mobilities of the anions or cations 

D  Ambipolar diffusion constant 

tion  Ion transport number or transference number of the ion 

τ  Sand’s time (The time by which dendrite growth is delayed 

Vm  Molar volume 

vtip  Velocity of dendrite tip growth propagation 

F  Faraday constant 

h  Planck’s constant 

Page 10: Insights into the morphological changes undergone by the anode …765276/FULLTEXT02.pdf · 2014-11-21 · I would like to express my greatest gratitude to my parents, Madhavi and

Abbreviations and Definitions 

vi 

  Frequency of light 

SoC  State of charge 

DoD  Depth of discharge 

FIB  Focussed ion beam 

SHES  Self‐healing electrostatic shield 

Chemical 

PEO  Poly(ethylene oxide) 

PVdF  Polyvinylidendifluoride 

PVP  Solid Electrolyte Interface 

SBR  Styrene‐butadiene rubber 

DME  1‐2 dimethoxyethane 

DOL  1‐3 Dioxalane 

TEGDME  Tetraethylene glycol dimethyl ether 

THF Tetrahydrofuran 

Li2S  Lithium sulphide 

LiClO4  Lithium perchlorate 

LiNO3  Lithium nitrate 

LiBF4  Lithium tetrafluoroborate 

LiPF6 Lithium hexafluorophosphate 

LiBOB  Lithium bis(oxalato)borate 

LiTFSI  Lithium bis(trifluoromethane sulfonyl) imide 

LixNOy Oxidised lithium nitrogen species 

LixSyOz Oxidised lithium sulphur species 

Li2Sx Lithium sulphide species 

Analytical and characterization techniques 

SEM  Scanning electron microscopy 

EDX  Energy dispersive X‐ray spectrometry 

XPS  X‐ray photoelectron spectroscopy 

AFM  Atomic force microscopy 

Page 11: Insights into the morphological changes undergone by the anode …765276/FULLTEXT02.pdf · 2014-11-21 · I would like to express my greatest gratitude to my parents, Madhavi and

Table of Contents 

Table of Contents 

Populärvetenskaplig Sammanfattning ................................................................................................... i 

Acknowledgements ........................................................................................................................... iii 

Abbreviations and Definitions ............................................................................................................ iv 

1  Introduction ................................................................................................................................. 1 

2  Background .................................................................................................................................. 3 

2.1  Lithium Sulphur (Li‐S) battery ....................................................................................................... 3 

2.1.1  Electrochemical reactions within the Li‐S cell ....................................................................... 4 

2.1.2  Undesirable PS redox reactions ............................................................................................ 5 

2.1.3  The sulphur cathode ............................................................................................................. 6 

2.1.4  Electrolyte ............................................................................................................................. 7 

2.2  The lithium metal anode ............................................................................................................... 9 

2.2.1  Dendrite growth models ..................................................................................................... 11 

2.2.2  Solid Electrolyte Interface ................................................................................................... 13 

3  Experimental procedures ........................................................................................................... 17 

3.1  Surface characterization ............................................................................................................. 17 

3.1.1  Electron microscopy ............................................................................................................ 17 

3.1.2  X‐ray photoelectron spectroscopy (XPS) ............................................................................ 18 

3.2  Anode sample preparation ......................................................................................................... 20 

3.2.1  Materials ............................................................................................................................. 20 

3.2.2  Cathode preparation ........................................................................................................... 20 

3.2.3  Electrolyte preparation ....................................................................................................... 20 

3.2.4  Cell assembly and cycling .................................................................................................... 21 

3.2.5  Sample extraction and transfer .......................................................................................... 22 

3.3 SEM Image Analysis.................................................................................................................... 22 

Page 12: Insights into the morphological changes undergone by the anode …765276/FULLTEXT02.pdf · 2014-11-21 · I would like to express my greatest gratitude to my parents, Madhavi and

Table of Contents 

4  Experimentation ......................................................................................................................... 25 

4.1  Comparison of Li‐S cells with Li‐Li symmetrical cells .................................................................. 25 

4.1.1  Results and observations .................................................................................................... 26 

4.1.2  Discussion ............................................................................................................................ 30 

4.2  Effect of varying sulphur loading on lithium morphology .......................................................... 31 

4.2.1  Results, observations and analysis ...................................................................................... 32 

4.2.2  Discussion ............................................................................................................................ 35 

4.3  Effect of self‐discharge of Li‐S cells on the lithium anode .......................................................... 37 

4.3.1  Results ................................................................................................................................. 37 

4.3.2  Discussion ............................................................................................................................ 41 

4.4  Effect of cycling on the Li anode ................................................................................................. 42 

4.4.1  Results ................................................................................................................................. 43 

4.4.2  Discussion ............................................................................................................................ 45 

5  Conclusions and outlook............................................................................................................. 46 

6  References ................................................................................................................................. 48 

List of Figures 

Figure 1: Typical structure of a Li‐S cell and its working during discharge ................................................... 4 

Figure 2: Charge‐discharge profiles of a Li–S cell .......................................................................................... 4 

Figure 3: The chemical structures of the linear and cyclic ether components used in this project ............. 8 

Figure 4: SEM images of anode morphologies of Li‐S cell at 100% depth of discharge (DoD) after 

increasing number of cycles.......................................................................................................................... 9 

Figure 5: SEM image of the cross section of the anode after 250 cycles ................................................... 10 

Figure 6: The formation of dead lithium on the lithium anode) ................................................................. 11 

Figure 7: The breakdown and repair of the SEI layer during deposition and dissolution .......................... 14 

Page 13: Insights into the morphological changes undergone by the anode …765276/FULLTEXT02.pdf · 2014-11-21 · I would like to express my greatest gratitude to my parents, Madhavi and

Table of Contents 

Figure 8: The role of various surface species and the SEI species in morphological changes .................... 15 

Figure 9: Schematic of the components inside the XPS chamber .............................................................. 19 

Figure 10: Assembly structures for (a) Li‐S cell; (b) Li‐Li cell ....................................................................... 21 

Figure 11: Pit identification using Image‐J .................................................................................................. 23 

Figure 12: The frequency of approximate intervals of pit sizes in the image calculated. .......................... 24 

Figure 13: Area occupied by dendrite formations in the presence of unfilled pits .................................... 24 

Figure 14: State of Charge: 0% Lithium metal morphologies after 1 discharge from Li‐S and Li‐Li cells.... 26 

Figure 15: State of Charge: 6.25% Lithium metal morphologies after 1 discharge and 6.25% charge from 

Li‐S and Li‐Li cells......................................................................................................................................... 27 

Figure 16: State of Charge: 50% Lithium metal morphologies after 1 discharge and half charge from Li‐S 

and Li‐Li cells ............................................................................................................................................... 28 

Figure 17: State of Charge: 100 % Lithium metal morphologies after 1 discharge and full charge from Li‐S 

and Li‐Li cells ............................................................................................................................................... 29 

Figure 18: Representative macroscopic morphologies of all samples ....................................................... 33 

Figure 19: The frequency of approximate intervals of pit sizes for the samples studies. .......................... 34 

Figure 20: Current density versus approximate pit sizes ............................................................................ 35 

Figure 21: Current density versus dendrite area fraction ........................................................................... 35 

Figure 22: Fluorine spectrum F1s ............................................................................................................... 38 

Figure 23: Sulphur spectrum S2p ............................................................................................................... 38 

Figure 24:Macroscopic image of the morphology of the soaked Li sample ............................................... 38 

Figure 25: Macroscopic image of the morphology of the charged Li sample ............................................ 38 

Figure 26: Microscopic image of the morphology of the charged Li sample ............................................. 39 

Figure 27: Image of the surface of the self‐discharged Li sample. ............................................................. 39 

Figure 28: Macroscopic image of the morphology of the self‐discharged Li sample ................................ 39 

Figure 29: Microscopic image of the morphology of the self‐discharged Li sample ................................. 39 

Page 14: Insights into the morphological changes undergone by the anode …765276/FULLTEXT02.pdf · 2014-11-21 · I would like to express my greatest gratitude to my parents, Madhavi and

Table of Contents 

 

Figure 30: Representative macroscopic morphologies of all samples after full cycles and after 

subsequent discharge ................................................................................................................................. 44 

 

List of Tables 

Table 1: List of cells cycled/simulated to their respective SOCs ................................................................. 25 

Table 2: Dimensional statistics of the anode samples from Li‐Li cells and Li‐S cells .................................. 30 

Table 3: Li‐Li cells at their respective simulated SOC cycled at varying current densities ......................... 32 

Table 4: Dimensional statistics associated with the morphologies of the samples ................................... 34 

Table 5: List of samples studied in the experiment .................................................................................... 37 

Table 6: List of anode samples and cycling conditions ............................................................................... 42 

 

Page 15: Insights into the morphological changes undergone by the anode …765276/FULLTEXT02.pdf · 2014-11-21 · I would like to express my greatest gratitude to my parents, Madhavi and

Introduction 

1  

1 Introduction 

The increased energy consumption and increased role of the automotive and transportation industries 

have led to an increasing reliance on fossil fuels such as petroleum on a global scale. Oil consumption for 

the transportation sector accounted for over 19 % of the global primary energy demand in 2013, 

predominantly due to road transportation [1–4]. The two characteristics of energy sources which 

determine their usage in transportation are the amount of energy per unit mass (gravimetric energy 

density) and the amount of energy per unit volume (volumetric energy density). Gasoline (12.2 kWh/kg; 

8.9 kWh/L) and diesel (11.9 kWh/kg; 10.1 kWh/L) are the principal petroleum‐based liquid fuels used at 

present due to their ease of transport and storage [5]. However, emissions from fossil fuels contribute 

to a large extent to the greenhouse effect through their usage, primarily emission of carbon dioxide 

(CO2), resulting in global warming [6]. These issues arising from the usage of fossil fuels, has led to the 

development of alternative energy sources to power the transportation sector. Use of biofuels and 

energy storage devices are considered as sustainable strategies to replace petroleum based fuels [7,8]. 

Electrical energy storage devices, due to their ability to transfer energy with low consumption of 

materials and no emission of CO2, are preferred over other strategies in the long term. 

Lithium ion batteries (LIBs) seem to be among the better technologies for use in electric energy storage 

in electric vehicles with a theoretical gravimetric energy density of 387 Wh/kg (calculated using solely 

the energy obtained per unit mass of the active electrode components) [9]. LIBs, in general, consist of 

lithium ions inserted into a host structure (such as graphite) for the electrode materials. However their 

practical capacities including the mass of other cell and battery components are limited to 150 – 230 

Wh/kg [10]. The use of lithium metal instead of lithiated graphite as anode material raises the possible 

theoretical energy capacity from 372 mAh/g [11]to 3860 mAh/g in lithium metal batteries, making them 

ideal for use in mobile applications [12]. The use of metallic lithium as anode is however not trivial, 

suffering from severe safety challenges and a major capacity loss during cycling [13,14].  

Recent advances in chemical energy storage for electric vehicles has renewed the interest in lithium 

metal batteries. Lithium sulphur batteries (LiSBs) can be considered as a good candidate technology. 

Sulphur was first introduced to lithium metal batteries in 1962 [15]. Sulphur had an advantage over 

conventional cathode compounds used in the lithium metal batteries such as vanadium pentoxide (V2O5) 

or bismuth trioxide (Bi2O3) due to its abundance, low cost and low toxicity [16–19]. In 2010, Sion Power 

have shown that prototype LiSB systems can provide higher practical energy densities at 350 Wh/kg at 

Page 16: Insights into the morphological changes undergone by the anode …765276/FULLTEXT02.pdf · 2014-11-21 · I would like to express my greatest gratitude to my parents, Madhavi and

Introduction 

present and 600 Wh/kg in the near future. However, LiSBs were unable to retain their capacities, 

showing a 20 % capacity fade over 30 – 60 cycles as compared to the long term goal of 1000 cycles 

[20,21]. In addition, LiSBs present serious safety concerns associated with the lithium metal batteries of 

the previous generation.  

The LiSB system, as with other lithium metal batteries, faces significant challenges associated with the 

lithium metal electrode, i.e., low cycling efficiency of the battery and the safety issues caused by growth 

of “dendrites” or “mossy” lithium on charge, especially at higher rates [12,14,22,23]. The dendrites can 

cause internal short circuits in the battery [12,24,25]. Repeated cycling causes permanent deformations 

of the electrode surface by anodic corrosion and dendrite growth. In addition, lithium metal, due to its 

electro‐positivity, reacts with the electrolyte instantly resulting in the formation of a thermodynamically 

stable passivation layer over the electrode known as the solid‐electrolyte interface (SEI). The continuous 

deterioration of the lithium anode over multiple cycles causes the depletion of the electrolyte, resulting 

in increasing interfacial resistance and capacity fade [9,22,26,27].   

The Li‐metal surface can also be affected by side reactions involving intermediate polysulphides (PS) that 

have been dissolved in the electrolyte from the cathode during discharge. These PS species typically also 

contribute to the formation of the SEI, and participate in the electrochemical charge reactions by 

diffusing back to the cathode to be re‐oxidised to form higher order PS leading to an internal redox 

“shuttle” mechanism [9,20,28,29]. This redox of the PS species is suggested as a reason for reduced use 

of active sulphur and lithium masses leading to low cycling efficiency and self‐discharge mechanism (low 

shelf life) in the lithium sulphur system [20,30].  

A comprehensive study to understand the morphological changes undergone by the lithium metal 

electrode in the initial cycles, and the factors influencing them, under the similar experimental 

conditions would be a good start to understanding their contribution to failure mechanisms in the LiSB 

system. 

Scope: 

In this thesis, the morphological changes occurring at the surface of lithium anodes in liquid electrolyte 

Li‐S cells during the initial cycles were studied extensively using electron microscopy as the chief 

investigation method. Photoelectron spectroscopy was also used to chemically characterize the 

passivation layer formed on the surface on the anode. 

Page 17: Insights into the morphological changes undergone by the anode …765276/FULLTEXT02.pdf · 2014-11-21 · I would like to express my greatest gratitude to my parents, Madhavi and

Background 

3  

2 Background 

It is crucial to understand the context of this project in view of the recent advances in study of the LiSB 

system as well as follow the electrochemical processes taking place inside a Li‐S cell to understand the 

experiments conducted in this project. This chapter presents a detailed description of the various 

components and the electrochemistry of the Li‐S cell. 

2.1 Lithium Sulphur (Li‐S) battery 

LiSB systems consist of a sulphur based cathode, a chemically inert separator, a lithium metal anode and 

an electrolyte to facilitate the electrochemical reactions. As a cathode, sulphur has an electrochemical 

potential of 2.24 V vs Li/Li+, which is small compared to LIB systems (2.4 – 4.7 V). This is somewhat 

compensated by the high specific capacity of the Li‐S cell at 1675 mAh/g [14,16]. 

The most common electrolyte in Li‐S cells is liquid electrolyte consisting of organic solvents and lithium 

salts held within a porous polymer separator. Solid or polymer based electrolytes can also be used, but 

are presently considered to have too low ionic conductivity [31–33].  

A very simplified explanation of the charge/discharge mechanism:  When a Li‐S cell in a charged state is 

connected to an external load, an oxidation reaction takes place at the lithium anode, from which 

electrons are transferred to the cathode via the external circuit with dissolution of lithium into the 

electrolyte as lithium ions. The half‐cell reaction taking place at the anode is given by: 

→  

Simultaneously, reduction takes place at the cathode with the ultimate reduction of elemental sulphur 

to sulphide. The half‐cell reaction at the cathode is given by: 

16 → 8  

Li2S is ultimately formed as a solid precipitate as the final state of the discharge process. The overall 

discharge reaction of the Li‐S is therefore: 

16 → 8       Eavg = 2.2 V 

The typical structure of a Li‐S cell during discharge is shown in Figure 1. 

 

Page 18: Insights into the morphological changes undergone by the anode …765276/FULLTEXT02.pdf · 2014-11-21 · I would like to express my greatest gratitude to my parents, Madhavi and

Background 

4  

 

 Figure 1: Typical structure of a Li‐S cell and its working during discharge (Reprinted from [9] Copyright 2012, with permission from Nature Materials)  

The reaction is reversible when the cell is charged by an external circuit by electrical energy. However, 

the charge/discharge mechanism is more complicated than as explained and involve many different 

steps.  

2.1.1 Electrochemical reactions within the Li‐S cell 

The charge/discharge mechanisms within the Li‐S cell consist of numerous chemical reactions taking 

place at the electrodes and in the electrolyte. The reduction of elemental sulphur at the cathode to 

lithium sulphide (Li2S) involves a number of intermediary reactions. The actual reduction mechanisms of 

the sulphur cathode are still under discussion. Lacey et. al. suggested a typical model of the fundamental 

reduction process of the sulphur cathode in a liquid electrolyte system.  

 Figure 2: Charge‐discharge profiles of a Li–S cell (Reprinted from [34] Copyright 2014, with permission from Elsevier) 

 

1 2

3

Page 19: Insights into the morphological changes undergone by the anode …765276/FULLTEXT02.pdf · 2014-11-21 · I would like to express my greatest gratitude to my parents, Madhavi and

Background 

During discharge, three stages of electrochemical reactions take place at the cathode as shown in Figure 

2 [34]. During the first stage (~2.3 V), elemental sulphur in solid phase (S8 (S)) is dissolved into the 

electrolyte (S8 (L) ) and is then reduced to long chain (S82‐) ions. During the second stage, these sulphur 

ions are reduced further to shorter chain ions by disproportionation reactions, where a particular 

species is simultaneously oxidised and reduced to form two separate products, as shown below: 

→14

This stage typically involves fast reaction kinetics due to the liquid phase reactions witnessing a potential 

drop from 2.3 – 2.1 V. Further disproportionation of the S62‐ to shorter chain ions like S42‐ takes place 

during the third stage at an almost stable potential (~2.1 V). During this stage the viscosity of the 

electrolyte increases due to the generation of anion species.  

It was suggested that short chain anions like S42‐ typically formed polysulphides (PS) through 

disproportionation rather than electrochemical reduction given by: 

4 → 3  

This disproportionation and redox of S42‐ and S62‐ takes place throughout most of this stage eventually 

resulting in the formation Li2S. In addition, the reduction of various short chain sulphur ions formed 

from disproportionation results in the precipitation of solid phase Li2S at the electrodes. Towards the 

end of discharge, precipitates of lower order PS, Li2S deposit on the cathode. The solid PS precipitates 

tend to agglomerate at the cathode over prolonged cycling of the Li‐S cell. These agglomerates remain 

electrochemically inaccessible during the most subsequent charge‐discharge processes. 

During charge, almost all PS are transformed to Sm2‐ ions through facile oxidation kinetics over a stable 

voltage rise and are further oxidized to form elemental sulphur towards the end of charge. The typical 

overall reactions taking place in the vicinity of the cathode are given by [16,35]: 

→ 2  

8 → 16

2.1.2 Undesirable PS redox reactions 

The higher order and intermediary PS ions which remain dissolved in the electrolyte, tend to diffuse 

towards the lithium anode and react corrosively with the lithium metal to form lower order PS. These 

Page 20: Insights into the morphological changes undergone by the anode …765276/FULLTEXT02.pdf · 2014-11-21 · I would like to express my greatest gratitude to my parents, Madhavi and

Background 

6  

reactions take place both electrochemically as well as chemically. Zhang [36] provides general equations 

for these reactions as given below:  

→ 1 2 2    (Electrochemical oxidation) 

1 2 →      (Chemical reduction) 

These reduced PS diffuse back from the anode to the cathode on the next subsequent charge cycle to be 

re‐oxidised and a subsequent diffusion to the anode causing a polysulphide “shuttle” between the 

electrodes. A significant capacity of the Li‐S cell is lost in driving the shuttle mechanism, resulting in 

underutilization of capacity. Under idle conditions, this mechanism carries on until the PS are reduced to 

form solid Li2S which can deposit at the anode or elsewhere [9,20,37].  

In addition to the shuttle, the PS reduction reactions also cause three main parasitic mechanisms which 

challenge the use of LiSBs in practical applications: 

Active consumption of active sulphur and lithium materials to form solid PS through 

electrochemical reduction, resulting in capacity fade over subsequent cycles (low cycling 

efficiency) [20,38].  

Passive consumption of active lithium material by dissolved PS to from reduced PS species 

through chemical reduction, resulting in capacity fade when idle (self‐discharge)[20,39]. 

Corrosion of the passivation layer (SEI) on the anode thereby aiding in the degradation of the 

anode [40]. The composition of the SEI in presence of sulphur containing electrolytes is 

discussed further in the forthcoming sections of this chapter. 

2.1.3 The sulphur cathode 

Elemental sulphur, due to its low conductivity (5 x 10‐30 S/cm at 25 oC), cannot be used as the standalone 

cathode [17,41]. Materials with high electric conductivity such as carbon are used to form composite 

cathodes, electrically enhancing their conductivity while simultaneously remaining inert to the chemical 

reactions. In order to retain the advantages of high specific energy of the LiSB, elemental sulphur must 

contribute to at least 70 % wt. of a sulphur‐carbon composite cathode in a conventional Li‐S cell [9,42]. 

Towards the end of a discharge, solid precipitate PS (Li2S) deposit on the cathode. Li2S (1.66 g/cm2) 

which is less dense than elemental sulphur (2.07 g/cm2), occupies more volume than elemental sulphur. 

Hence, a high surface area and porosity is required by the carbon composite to accommodate these 

Page 21: Insights into the morphological changes undergone by the anode …765276/FULLTEXT02.pdf · 2014-11-21 · I would like to express my greatest gratitude to my parents, Madhavi and

Background 

volume changes. Typically one or more binders are added in minor proportions to the sulphur cathode 

to maintain mechanical stability of the composite electrode. Polymers such as polyethylene oxide (PEO) 

[43–46], polyvinylidendifluoride (PVdF) [47,48], or styrene‐butadiene rubber (SBR) [46,49] have been 

preferred as binder material. 

One of the main strategies to limit or control the effect of the dissolved PS has been to trap the 

dissolved PS species through sorption on the walls the porous carbon cathode structure, thereby 

preventing them from diffusing towards the anode and initiate the shuttle, in effect creating PS 

“reservoirs”. Over the past decade several approaches have been considered in the design of the 

cathode structure through the use of various kinds of functional carbon materials and metal oxides such 

as alumina and silica [9,16,50]. The general approach in all these materials has been to expose the 

maximum possible surface area of the functional material structure to elemental sulphur and PS in order 

to use their absorption and adsorption properties. While results using varied approaches have yielded 

positive results, it is important to note that the effectiveness of sorption properties in trapping PS is 

limited. Considering that in most of the cathode structures the loaded sulphur content was below 70% 

of the total volume, these approaches are not likely suited for practical applications. For the purpose of 

studying the anode in the Li‐S cell, the formulation of the cathode structure in this project can be 

achieved by simpler methods based on amorphous carbon black and water soluble binder materials. 

2.1.4 Electrolyte 

Goodenough and Kim [51] have listed the requirements of an optimal electrolyte in a lithium metal 

battery. In general, a good electrolyte should have high ionic conductivity, low electronic conductivity, 

low viscosity, intrinsic chemical and thermal stability with the electrodes, preferably low flammability, a 

large operating temperature range, low cost and low toxicity. 

The complicated electrochemistry of LiSBs adds two additional requirements. In light of the high 

reactivity of the PS anions and their radicals, the electrolyte must also be chemically stable against the 

PS anions. Since dissolved PS drive most of the charge transfer reactions with the Li‐S cell, the 

electrolyte must also be able to dissolve large quantities of elemental sulphur and PS. Usually, the 

electrolyte is a complex mixture of one or more solvents containing lithium salts and other additives. 

2.1.4.1 Solvent 

The selection of a suitable solvent is essential for optimal utilization of the active materials in the Li‐S 

cell, particularly to accommodate the numerous cell reactions and the changing solubilities of different 

Page 22: Insights into the morphological changes undergone by the anode …765276/FULLTEXT02.pdf · 2014-11-21 · I would like to express my greatest gratitude to my parents, Madhavi and

Background 

PS in the electrolyte. Considering the given requirements for the electrolyte, conventional solvents for 

other lithium metal batteries based on carbonates, phosphates and esters have been ruled incompatible 

for LiSBs [52] since they tend to interact with PS anions through redox, nucleophilic and radical reactions 

[36,51]. Numerous other compatible solvents have been studied for application of to the Li‐S cell.  

Linear ether glyme based solvents such as 1‐2 dimethoxyethane (DME) and tetraethylene glycol 

dimethyl ether (TEGDME) have been preferred for LiSBs due to their ability to dissolve larger amounts of 

PS, low viscosity and faster reaction kinetics to the PS anions [53–55]. In general, a mixture of linear and 

cyclic ethers (e.g. 1‐3 Dioxalane (DOL)) with a relatively high solubility for PS are used. Solvents such as 

DME‐DOL [53,56,57], TEGDME‐DOL [45,58,59], and TEGDME‐THF [60] have shown acceptable 

performance in balancing initial discharge capacity and cycling efficiency. Wang et. al. reported that a 

ratio of DME‐DOL in either 1:1 or 2:1 yielded optimum results [54]. The typical chemical structures of 

DME (linear ether) and DOL (cyclic ether) are shown in Figure 3. 

Figure 3: The chemical structures of the linear and cyclic ether components used in this project 

2.1.4.2 Electrolyte salts and additives 

Lithium salts are added to the solvents in order to obtain a high transference number for lithium and 

ionic conductivity. However it is important the chosen salt(s) is compatible with the PS dissolved in the 

electrolyte. Conventional lithium salts used in other lithium metal batteries like LiPF6, LiBF4 and LiBOB 

have been ruled out due to this requirement [36]. Lithium salts have also been used as additives to form 

a stable passivation layer on the lithium anode. LiClO4 and LiTFSI have been used extensively in the 

electrolyte due to their low charge transfer resistance, ability to form a stable passivation layer on the 

anode quickly, thus reducing the effect of PS redox reactions [61,62]. One of the most important 

discoveries in the recent past has been the suitability of LiNO3 and other nitrate based salts as 

electrolyte additives for LiSBs by Mikhaylik et. al. [63]. LiNO3 can react with the anode surface and form 

a stable passivating layer which works actively to oxidize PS during redox reactions, thereby reducing the 

DOL

Page 23: Insights into the morphological changes undergone by the anode …765276/FULLTEXT02.pdf · 2014-11-21 · I would like to express my greatest gratitude to my parents, Madhavi and

Background 

effect of shuttle mechanism in the cell. However, Zhang reported that when cell potential drops below 

1.6 V, LiNO3 is consumed by the cathode as well, forming insoluble reduction products that adversely 

affect the reversibility of the cell [64]. Moreover, the use of LiNO3 is not very effective in solving the self‐

discharge problem caused by the chemical redox. Therefore, it is recommended that to retain the 

beneficial effects of nitrate salts, they must be used as a co‐salt rather than a sole electrolyte additive, 

and ensure that the cut‐off potentials are kept above 1.7 V.  

2.2 The lithium metal anode 

The primary challenges in LiSBs have been attributed to the lithium anode. Lithium, due to its 

nucleophilic nature, reacts immediately with the electrolyte to form the SEI. Over multiple cycles, 

lithium dissolution during discharge and lithium deposition during charge have been known to cause 

three major effects on the lithium anode: 

Porous dissolution of lithium on the anode leading to uneven morphology after first discharge

Deposition of lithium in the form of dendrites during charge

Evolution of mossy, powder‐like rough surface morphology exposing greater surface area

These three phenomena have caused problems for the Li‐S cell as summarized by Mikhaylik [20]: 

Electrolyte depletion to repair the SEI over freshly exposed lithium during cycling

Unacceptable cell swelling

Thermal instability due to greater surface reactivity

Possibility of internal cell short circuit due to contact of Li dendrite with the cathode [25]

The typical morphology of a lithium anode in the Li‐S cell is shown in Figure 4 [20].  

Figure 4: SEM images of anode morphologies of Li‐S cell at 100% depth of discharge (DoD) after increasing number of cycles. (a) 30 cycles (b) 352 cycles (Reprtinted from [20] Copyright 2010, with permission from The Electrochemical Society) 

Page 24: Insights into the morphological changes undergone by the anode …765276/FULLTEXT02.pdf · 2014-11-21 · I would like to express my greatest gratitude to my parents, Madhavi and

Background 

10 

Previous studies of morphological changes in lithium metal batteries 

Lithium metal anodes have been extensively studied for rechargeable batteries from primary lithium 

batteries. Several studies have been devoted to the study of the morphological changes at a Li anode on 

repeated cycling with different cathodes and electrolytes. For example, Lopéz et. al. [65] studied the 

evolution of lithium morphology over 250 cycles and found that the anode swelled over cycling and 

adopted a structure with several distinct layers as shown in Figure 5 [65]. It was also found that rather 

than dendrite growth, the evolution of the mossy porous layers and its reaction with the electrolyte 

caused capacity fade and low cycling efficiency. Yoshimatsu et. al. [66] described growth and dissolution 

mechanisms of lithium dendrites and proposed a scheme for the isolation and deactivation of pieces of 

Li dendrites through dendrite thinning in the form of “dead lithium” (chemically active but 

electrochemically inactive) on the top of the anode surface as shown in Figure 6 [67]. Further 

investigation by Arakawa et. al. on the same occurrence indicated that isolated Li could have been 

formed due to heterogeneous dissolution of the needle‐like Li. It was also argued that sizes and shapes 

of the dendrites formed over multiple cycles was greatly dependent on the applied current density [68].  

Figure 5: SEM image of the cross section of the anode after 250 cycles. The thicknesses of the three layers are Dendritic: 15 µm; Porous: 300 µm; Substrate: 50 µm (Reprinted from [65] Copyright 2003, with permission from The Electrochemical Society) 

Top dendritic layer 

Intermediate porous layer 

Bottom residual anode substrate 

Page 25: Insights into the morphological changes undergone by the anode …765276/FULLTEXT02.pdf · 2014-11-21 · I would like to express my greatest gratitude to my parents, Madhavi and

Background 

11 

Figure 6: The formation of dead lithium on the lithium anode (Reprinted from [67] Copyright 2004, with permission from American Chemical Society) 

Effect of initial surface state on lithium morphology 

Gireaud and co‐workers have investigated the effect of initial lithium surface state on the ensuing 

morphological changes [69]. The use of a “sellotape” method to induce defects on the lithium anode 

prior to cycling showed that lithium dissolution takes place preferentially along the grain boundaries 

on the lithium surface and the cracked lines/stress lines. This has been attributed to the higher 

interfacial energy at these points where the passivation layer breaks down quickly [70]. It was also 

found that dendrite growth through lithium deposition in the subsequent charge took place 

preferentially along the surface defects such as dissolution pits due locally enhanced current 

densities. The study noted that the initial surface state of the anode substrate is also a key parameter 

that can influence the ensuing morphological changes. 

2.2.1 Dendrite growth models 

Electrochemical deposition on metals such as zinc, copper, tin and lithium have all exhibited fractal 

deposits on the surface. While most electrochemical deposits involve a one‐time deposition, the 

rechargeable nature of lithium batteries requires multiple depositions, which becomes a significant 

Page 26: Insights into the morphological changes undergone by the anode …765276/FULLTEXT02.pdf · 2014-11-21 · I would like to express my greatest gratitude to my parents, Madhavi and

Background 

12  

problem during cycling. Xu and co‐workers have presented a comprehensive summary of the dendrite 

growth models in rechargeable lithium anodes [71].  

Chazalviel first proposed a general model for origins and growth of ramified metallic electrodeposits in 

dilute salt solutions attributing the growth of these deposits to the development of a space charge 

region due to depletion of anions at the metal electrodes [72]. This model has been adapted by Brissot 

et. al. for models based on lithium metal batteries using binary electrolyte with lithium salts and a 

polymer electrolyte such as PEO [73].  DC polarisation of the cell creates a concentration gradient in the 

cell which is given by the equation: 

∂C∂x

μμ μ

 

Where J is the localized effective current density, e is the elementary charge, D ambipolar diffusion 

constant and µa and µLi are the ionic mobilities of the anions and Li+ ions respectively. It was proposed 

that when    > , where CO is the initial salt concentration and L is the inter‐electrode distance, the 

anionic concentration at the anode approaches zero.  

The time taken for the anionic concentration to drop to zero is defined as Sand’s time (τ) and it is given 

by: 

2 1

 

Where tLi is the ion transport number of lithium ions. It was indicated that at Sand’s time, an excess 

build‐up of positive charges from Li+ ions takes place resulting in a space charge region forming a large 

electric field and rise in local current density (Ohm’s law), resulting in the nucleation of dendrites 

[25,73].  

The Sand’s time τ, the time by which onset of dendrite growth is delayed, is inversely proportional to 

applied current density squared J2. However a sufficiently low current density leads to a minimal ion 

concentration gradient, thereby negating the formation of dendrites [71]. The limiting current density, 

beyond which dendrite growth takes place is given as: 

∗ 21

 

Page 27: Insights into the morphological changes undergone by the anode …765276/FULLTEXT02.pdf · 2014-11-21 · I would like to express my greatest gratitude to my parents, Madhavi and

Background 

13 

Experiments conducted to examine the deposition of lithium at various current densities showed that 

dendrite nucleation and growth in the shape of elongated dendrites occurred even when current 

densities were lower that Chazalviel’s limiting current density. The growth of these dendrites was 

attributed inhomogeneities in the local SEI. Also over multiple cycles, it was observed that dendrite 

nucleation and growth occurred earlier than Sand’s time due to the breakdown and repair of the SEI 

from the previous cycle [73–76]. The SEI plays a significant role in any initial morphological changes on 

the lithium anode. 

Barton and Brockis [77] proposed an alternate model for dendrite growth applicable in liquid 

electrolytes suggesting that growth of nucleated dendrites was controlled by the spherical diffusion of 

cations. Monroe and Newman adopted this model with the thermodynamic reference points of the 

lithium anode and the conditions associated with ion concentrations proposed by Brissot et. al. [78]. 

They found that, in liquid electrolytes, dendrite growth rate increases across the surface and is greatly 

dependent on applied current density. The velocity at which the tip of the dendrite propagates is given 

by: 

Where Jn is the effective current density normal to the hemispherical lithium dendrite tip, Vm is the 

molar volume of lithium and F is the faraday constant.  

Alternatively, the Chazalviel model also predicted velocity of the dendrite tip propagation as a function 

of the local electric field E, given by [72]: 

μ  

2.2.2 Solid Electrolyte Interface 

When immersed in an electrolyte, lithium instantly reacts with the solvents and lithium salts forming 

irreversible reaction products. The product of this reaction is a thermodynamically stable passivation 

layer which prevents any further reactions between the electrolyte and the electrode known as the solid 

electrolyte interface (SEI) [79]. This is a layer also formed in LIBs, and it is well known that its thickness 

and composition is highly dependent on the salts and solvents of the electrolyte. 

During the electrochemical reactions, the SEI remains ionically conductive but electronically insulating. 

The SEI also remains chemically impermeable to the molecules of the electrolyte during electrochemical 

Page 28: Insights into the morphological changes undergone by the anode …765276/FULLTEXT02.pdf · 2014-11-21 · I would like to express my greatest gratitude to my parents, Madhavi and

Background 

14  

reactions [81]. Aurbach et. al. conducted AFM studies of SEI formed on lithium anodes immersed and 

cycled in various carbonate organic solvents [80]. Nanomorphological studies of the SEI revealed that 

the SEI structure reflected the uneven heterogeneous nature of the surface film through a mosaic 

structure. This led to the suggestion that during discharge, regions with presence of an SEI with an 

inhomogeneous structure served as preferential spots for uneven dissolution of lithium and other 

electrochemical activity. It was proposed that at low current densities, the SEI is able to withstand the 

effect of a relatively low volume changes. However at higher current densities, the SEI breaks down 

exposing fresh pristine lithium to the electrolyte and causing the depletion of the electrolyte solution in 

a reduction with the lithium (SEI repair). This mechanism is considered as one of primary causes for 

electrolyte depletion as shown in Figure 7 [80]. 

 

 

Studies of the chemical composition of the SEI revealed the chemical and physical influences on the 

ability of the SEI to accommodate the volume changes of the anode. Of particular interest to this project 

are the SEIs formed in DME and DOL. Aurbach et. al. investigated the SEI formed in glyme based solvents 

and concluded that the ether linkage in linear ethers such as DME and diglyme is actively attacked by 

the lithium metal resulting in the surface film formed being dominated by ionic species such as LiOH, 

 Figure 7: The breakdown and repair of the SEI layer during deposition and dissolution (Reprinted from [80] Copyright 2000, with permission from American Chemical Society) 

Page 29: Insights into the morphological changes undergone by the anode …765276/FULLTEXT02.pdf · 2014-11-21 · I would like to express my greatest gratitude to my parents, Madhavi and

Background 

15  

Li2O and organic lithium salts such as lithium alkoxy species: ROLi, RCOLi, RCO2Li and salt anions and 

contaminants [82]. Surface films dominated by ionic species cannot accommodate the volume changes 

of the anode due to their inelastic physical properties, eventually breaking down under deposition [83]. 

A study by Morigaki and Ohta advocated that inorganic lithium compounds such as Li2O tend to form 

along the ridge lines and grain boundaries of the lithium anode, suggesting an SEI dominated locally by 

ionic species [84]. The study of the surface films formed in DOL showed that similar surface species 

dominated the SEI only with the addition of oligomer products of polydioxolane [85–87]. These 

oligomers are insoluble and stick to the lithium anode thereby leading to the formation of elastomers, 

which provide flexibility to the SEI allowing it to accommodate the volume changes of the anode during 

cycling. The effect of DOL and ethers forming alkoxy species such as DME is shown in Figure 8 [83].  

 Figure 8: The role of various surface species and the SEI species in morphological changes (Reprinted from [83] Copyright 2000, with permission from Elsevier) 

A major influence on the SEI composition in a Li‐S cell is the presence of dissolved PS in the electrolyte. 

Aurbach et. al. conducted a study examining the chemical composition of the SEI using on the lithium 

metal etched in a PS dissolved electrolyte solution with and without LiNO3 additives [26]. The x‐ray 

photoelectron spectroscopy (XPS) study of the SEI indicated that a lithium strip etched in the electrolyte 

without the additive exhibited the formation of a small quantity of Li2S formed after 5 hours of etching 

and a large quantity of Li2S formed after 9 days. This was not observed in the lithium strip etched in the 

LiNO3 contained solution. Instead, various species of LixSOy compounds were noted in greater quantities 

than the insoluble Li2S. This has been attributed to the reaction of LixNOy species in the SEI with PS to 

Li in alkoxy species producing solutions

Page 30: Insights into the morphological changes undergone by the anode …765276/FULLTEXT02.pdf · 2014-11-21 · I would like to express my greatest gratitude to my parents, Madhavi and

Background 

16  

form LixSOy. The presence of LixSOy compounds is implicated in the PS redox suppressing properties of 

the SEI formed in the presence of LiNO3. 

A similar study by Xiong and co‐workers reported that a stable SEI was formed on the lithium anode 

over multiple cycles [88]. The structure of the SEI after multiple cycles was described as of 2 sub‐layers 

of passivation consisting of oxidised lithium sulphur species at the top and the bottom layer consisting of 

reduced nitrate species and insoluble PS precipitates. Underneath these was a layer of ionic lithium 

compounds as formed due to atmospheric contaminants. 

Page 31: Insights into the morphological changes undergone by the anode …765276/FULLTEXT02.pdf · 2014-11-21 · I would like to express my greatest gratitude to my parents, Madhavi and

Experimental procedures 

17 

3 Experimental procedures 

In this project, morphological changes on the lithium anode were studied by surface characterization. 

The anode samples were extracted from Li‐S cells and symmetrical Li‐Li cells. This chapter provides a 

brief description of the setup under which these cells were assembled and the samples were extracted 

and studied in this project. The methods and the working principle of the instruments used to study 

these samples are also detailed. 

3.1 Surface characterization 

Two methods were used for surface characterization of the lithium metal anodes. Electron microscopy 

was used as the primary method of investigation and x‐ray photoelectron spectroscopy was used for 

supplementary study. 

3.1.1 Electron microscopy 

Electron microscopy is a method for obtaining high resolution images at microscopic and sub‐

microscopic scales. The instrument used in this project is a scanning electron microscope (SEM), which 

uses electrons for imaging sample surfaces. Electrons are generated from a source in a column mounted 

directly above the sample chamber of the instrument. These electrons, when incident on the surface, 

interact with the electrons at the specimen surface through elastic and inelastic collisions causing the 

surface to emit its own electrons that are detected by electron detectors. The electron detectors 

synchronize the intensity of the detected electron signals with the incident beam to produce an image 

of the sample morphology displayed on a monitor.   

The SEM used in this project is a Zeiss ΣIGMA Series Field Emission Scanning Electron Microscope (FE‐

SEM). This project uses images formed from the secondary electrons emitted from the lithium anode 

specimen placed in the SEM. Secondary electrons are low energy electrons emitted sample surface 

under a probe current from the incident beam. Secondary electrons are good indicators of the surface 

morphology due to the relatively shallow depth (10 – 100 nm) from which they are emitted. They are 

detected using an Everhart‐Thornley detector. An in‐lens detector placed in the SEM column was also 

used to obtain highly focussed images at very high magnification (< 2 μm). The samples were studied in 

the SEM under high vacuum (typically 10‐13 bar) with an accelerating voltage of the incident beam 

varying from 1 kV to 20 kV. 

Page 32: Insights into the morphological changes undergone by the anode …765276/FULLTEXT02.pdf · 2014-11-21 · I would like to express my greatest gratitude to my parents, Madhavi and

Experimental procedures 

18  

3.1.1.1 Energy dispersive X‐ray Spectrometry (EDX) 

X‐rays are also emitted from the sample surface in the SEM. When high energy electrons impact the 

atoms of the surface, the electrons from the atoms at various states are ejected, creating vacancies. 

These vacancies are filled by other electrons e.g. valence electrons. As a result, x‐rays are emitted with 

energy equal to the difference in states, characteristic to the element from which the x‐rays were 

emitted. The x‐rays are detected by an EDX detector, in this project, an X‐MaxN detector from Oxford 

Instruments. It must be noted that the EDX detector is an approximate method of elemental analysis 

and cannot be calibrated for lithium samples as the detection of characteristic x‐rays in the EDX detector 

is limited to elements with atomic numbers (Z) greater than 4 in principle due to the low energy of the 

emitted characteristic x‐ray photons. And in practice, the accuracy of the readings for EDX is low for 

elements with Z < 10. 

3.1.1.2 Error possibilities on SEM image formation 

The atmosphere of the SEM chamber under venting during introduction and removal of the samples was 

nitrogen gas which ideally does not react with the highly reactive lithium metal. However, given the 

reactive nature of lithium metal and inevitable presence of atmospheric species that could contaminate 

the samples during initial transfer of samples, it not possible to get an entirely pristine image of the 

lithium surfaces as they are when extracted from cycled cells. However precautions and measures have 

been taken to ensure the images used in this project can be the closest approximation to the possible 

surface morphologies. Charging can also occur locally in case of insulated samples, which manifests in 

the SEM images in the form of very high or very low brightness, making it difficult to identify the surface 

topography of the sample. But this phenomenon was identified easily during studies. 

3.1.2 X‐ray photoelectron spectroscopy (XPS) 

X‐ray photoelectron spectroscopy (XPS) is a method of characterizing the chemical composition XPS is 

based on the Photoelectric Effect discovered by Hertz in 1887 [89] and described in its present form by 

Einstein in 1905 [90]. Electrons emitted by the photoelectric effect have a kinetic energy (Ekinetic) equal to 

the photon energy minus its binding energy (Ebinding) and the work function of the sample ( ). In 

XPS, the electron kinetic energy is measured from which the electron binding energy is calculated given 

the known photon energy [91,92]. The binding energy of the electron is specific to a particular bonding 

state of the element in a compound. High resolution XPS can furthermore be used to quantify the 

chemical environments, giving their influences on binding energies. 

Page 33: Insights into the morphological changes undergone by the anode …765276/FULLTEXT02.pdf · 2014-11-21 · I would like to express my greatest gratitude to my parents, Madhavi and

Experimental procedures 

19  

The kinetic energy of the emitted photoelectron is given by equation below: 

 

Where   is the energy of the incident x‐ray. 

 Figure 9: Schematic of the components inside the XPS chamber (Reprinted from [93] Copyright 2014, with permission under Creative Commons) 

A simplified scheme of an XPS system is shown in Figure 9 [93].  Inside the XPS system, the main 

components are the x‐ray source, the sample, the electron energy analyser and the electron detector. 

The XPS system is operated under ultrahigh vacuum conditions, typically around 10‐9 mbar. The XPS 

system used for this project is the PHS XPS 5600, supplied by Physical Electronics with a probing depth 

of 10 – 100 Å. In this project, the approximate chemical composition of the SEI formed on the lithium 

anode samples is studied using the XPS in tandem with the morphological examination of the same 

samples using the SEM. 

The data obtained from the XPS studies was analysed using Wavemetrics Igor Pro and was presented as 

elemental spectral lines in binding energy versus intensity graphs. The binding energy exhibiting a high 

intensity for each spectral line was correlated with the possible list of compound species from which the 

electrons were emitted. The compounds exhibiting the binding energies were obtained using the NIST 

XPS database [94]. The binding energies for all the spectral lines were initially referenced to the Fermi 

level of the Li samples and were corrected with an offset calculated by using the binding energy for Li (~ 

55 eV) as a reference. The approximate spatial spots on the samples where the XPS analysis was used 

were marked using photographs of the samples and were investigated using the SEM for morphological 

and EDX studies. 

Page 34: Insights into the morphological changes undergone by the anode …765276/FULLTEXT02.pdf · 2014-11-21 · I would like to express my greatest gratitude to my parents, Madhavi and

Experimental procedures 

20  

3.2 Anode sample preparation 

In this project, two types of cells, Li‐S cells and symmetrical Li‐Li, were assembled and cycled up to 

various states of charge (SoCs). All the cells were assembled in an argon (Ar) filled glove box (O2: < 1 

ppm; H2O: < 8 ppm) to avoid contamination of the cells and electrodes by O2 and H2O present in the air. 

The constituent cell materials such as electrolytes and the lithium anode strips were prepared and 

stored in the glove box under a similar atmosphere.  

3.2.1 Materials 

Sulphur powder, Carbon black Super P Li (Timcal Graphite), poly (ethylene oxide) (PEO, MW = 4,000,000; 

Aldrich), polyvinylpyrrolidone (PVP, MW = 360,000; Aldrich), 1,2‐dimethoxyethane (DME; Novolyte), 1,3‐

dioxolane (DOL; anhydrous; Aldrich) were used as received. Lithium nitrate (LiNO3; Aldrich), lithium 

perchlorate (LiClO4) and lithium sulphide (Li2S; Aldrich) were dried under vacuum at 120 °C prior to use. 

3.2.2 Cathode preparation 

For the Li‐S cells a carbon‐sulphur composite cathode was prepared by coating cathode ink to an 

aluminium substrate. 0.5 g of sulphur, 0.4 g of Super P carbon black, 0.08 g of PEO and 0.02 g of PVP 

were dispersed in 8 ml of water and mixed by ball milling for 2 hours to prepare the cathode ink. The ink 

was bar‐coated on to an Al foil and left to dry at room temperature for 48 hours. Circular cathodes of a 

diameter of 20 mm were punched out and dried under vacuum in the glove box at 298 K for a period of 

16 hours. 

3.2.3 Electrolyte preparation 

For both, the Li‐S cells and Li‐Li cells, the electrolytes were prepared in the glove box. In case of Li‐S cells, 

5 ml of electrolyte consisted of 1 M (0.532 g) of LiClO4, 0.25 M (0.086 g) of LiNO3, and 2.5 ml of DOL and 

2.5 ml of DME.  

In case of Li‐Li cells, 5 ml of electrolyte consisted of 1 M (0.1064 g) of LiClO4, 0.25 M (0.172 g) of LiNO3, 

and 2.5 ml of DOL and 2.5 ml of DME, 0.1 M (0.046 g) of Li2S and 0.1 M (0.257 g) of S8, to give a 

polysulphide‐saturated electrolyte with an average PS stoichiometry of Li2S9 (Since the cell did not 

contain a cathode, the sulphur anions were used in the experiment in a dissolved state). The electrolyte 

was placed on a magnetic stirrer to dissolve the sulphur compounds over a period of 72 hours. After 72 

hours the solution obtained had a deep reddish brown colour due to the dissolved PS in the solution. 

Page 35: Insights into the morphological changes undergone by the anode …765276/FULLTEXT02.pdf · 2014-11-21 · I would like to express my greatest gratitude to my parents, Madhavi and

Experimental procedures 

21  

3.2.4 Cell assembly and cycling 

Vacuum‐sealed pouch cells were assembled under Ar atmosphere in the glove box. A schematic diagram 

of the cell assembly is given in Figure 10. Multi‐layered PP/Al/PP (aluminium laminate) encapsulation 

was used as the cell container. Copper (for anode) and aluminium (for cathode in case of Li‐S cells) strips 

were used as current collectors. Lithium metal, supplied by Cyprus Foote Materials Limited, of thickness 

125 µm was cut into approximate dimensions of 40 mm X 40 mm strips for use as anode in the cells. For 

symmetrical Li‐Li cells, a 20 mm diameter circular piece of Li foil was used as the working electrode. 

Polyethylene membranes (SOLUPOR, Lydall Performance Materials), of a diameter of 22 mm were used 

as separators for the cell. The volume of electrolyte was fixed at 35 µL per mg of sulphur in the case of 

Li‐S cells (determined empirically), and 80 µL in total for Li‐Li cells. The electrolyte was applied onto the 

cathode before application of the separator in the case of Li‐S cells; for Li‐Li cells, the separator was first 

added and followed by the electrolyte. 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Electrolyte with sulphur 

Current collector (Working electrode)

Lithium metal strip (Working electrode) 

Separator

Lithium metal strip (counter electrode) 

Current collector (counter electrode)

Pouch cell 

Current collector (Working electrode) 

Sulphur based Cathode (Working electrode) 

Separator 

Lithium metal strip (counter electrode) 

Current collector (counter electrode) 

Pouch cell  

Electrolyte  

Figure 10: Assembly structures for (a) Li‐S cell; (b) Li‐Li cell

(b) Li‐Li Cell(a) Li‐S cell 

Page 36: Insights into the morphological changes undergone by the anode …765276/FULLTEXT02.pdf · 2014-11-21 · I would like to express my greatest gratitude to my parents, Madhavi and

Experimental procedures 

22 

An open circuit voltage of 3 V vs Li/Li+ was considered typical for the cathode in Li‐S cells and Li‐Li cells 

had a potential of 0 V. All cells were cycled via galvanostatic cycling equipment under compressive 

pressure to various states of charge (SoCs) at different current densities depending on the experiment. 

3.2.5 Sample extraction and transfer 

Lithium metal samples from cycled cells were also extracted in the glove box and washed using the neat 

electrolyte solvents (1:1 DME: DOL). For study using the SEM, the samples were placed in sample vials, 

vacuum sealed in pouch encapsulation inside the glove box and transferred to the SEM chamber 

through a glove bag (AtmosBag; Sigma Aldrich). The atmosphere of the glove bag was purged of air by 

evacuation and refilling of the bag with nitrogen gas at least three times prior to opening the samples. 

For chemical characterization using XPS, the washed samples were placed in a sample holder inside a 

portable load‐lock transfer system in the battery assembly glove box. 

3.3 SEM Image Analysis 

SEM images were analysed using Image‐J microscopic image analysis software in order to identify the 

distributions of pits, their dimensions and the distribution of dendrite formations at various states of 

charge in some experiments. The method for Image J analysis is as follows: 

Evenly illuminated images similar to the image shown in Figure 9 (image of a lithium anode at a fully 

discharged state within the first cycle) were used for this analysis to get an approximate idea of the pit 

dimensions on the lithium surface. Image‐J allows the user to set a pixel to chosen unit of length ratio by 

using a “Straight” line function and the “Set scale” function under the “Analyse” dropdown menu. In this 

case, after measuring the scale, already in the image, it was identified as 2.89 µm per pixel on the image. 

The image was cropped to obtain a simple legend free image. Unevenly illuminated areas in the same 

image could also be cropped out using the same function. The image was then smoothened to obtain 

round up irregular shapes on the image and obtain a slightly noise free image using the “Smooth” 

function in the “Process” menu. Further smoothening can be achieved by applying the “Bandpass Filter” 

in the “FFT” option in the “Process” menu. 

A black and white contrast binary filter then applied to the image, after which the lithium substrate was 

rendered white and the pit formations were rendered black. To do this a “Threshold” function from the 

“Adjust” option in the “Image” menu was used. These black regions in the image were identified as 

circular shapes with irregular circumferences. Using the “Measure particles” function in the image 

Page 37: Insights into the morphological changes undergone by the anode …765276/FULLTEXT02.pdf · 2014-11-21 · I would like to express my greatest gratitude to my parents, Madhavi and

Experimental procedures 

23  

“Analyse” menu, which also considers the circularity of the identified shapes, the areas of the pits (dark 

regions in the image) and the total area covered by pits are measured and generated. This image 

transformation process from image smoothing to pit identification on the image is shown in Figure 11. 

Figure 11: Pit identification using Image‐J 

The areas of pits from other compatible images of the same sample were also obtained in the same 

method. The areas of the pits found in all the images obtained from the same sample were extracted 

and pasted on an excel spreadsheet. The pit diameters were calculated from the areas on the excel 

sheet. A histogram of all the diameters was generated in order to identify an approximate interval for 

the most prominent pit sized found in each sample. These values displayed as a graph in Figure 12 as 

intervals of diameters against the frequency.  

Using this information, the mean pit width and standard deviation were calculated. For example, for the 

sample under consideration it was calculated as 27 µm with a standard deviation of 11 µm. The 

approximate area fraction, of the pits as compared to the substrate for this sample was calculated as 10 

%. Using similar analysis for area covered by dendrites, the area fraction of the regions covered by 

dendrites within a cycled region were calculated. These values were used to identify the growth of the 

Page 38: Insights into the morphological changes undergone by the anode …765276/FULLTEXT02.pdf · 2014-11-21 · I would like to express my greatest gratitude to my parents, Madhavi and

Experimental procedures 

24  

dendrites during re‐deposition. The transformation of the SEM image to quantify the area fraction by 

Image‐J is shown in Figure 13. 

 Figure 12: The frequency of approximate intervals of pit sizes in the image calculated. 

 

Figure 13: Area occupied by dendrite formations in the presence of unfilled pits 

Dendrite widths were measure simply by using the “Line” function and recording the line lengths drawn 

across the dendrites at various points and noting the line lengths using the “Measure” function. The 

values were extracted and analysed statistically using Excel spreadsheets. 

It must be noted that the use of Image‐J for morphology analysis is only an approximate method of 

obtaining the preliminary statistics of the features on the anode samples as the method is dependent on 

even illumination of the SEM images.

Page 39: Insights into the morphological changes undergone by the anode …765276/FULLTEXT02.pdf · 2014-11-21 · I would like to express my greatest gratitude to my parents, Madhavi and

Experimentation 

25  

4 Experimentation 

This chapter presents and discusses the results from various experiments conducted in the project and is 

divided in four experiments investigating the lithium metal anode morphology under various conditions 

of cycling.  

4.1 Comparison of Li‐S cells with Li‐Li symmetrical cells 

In this experiment, 4 Li‐S cells and 4 Li‐Li cells were assembled and cycled at various states of charge 

(SoCs) within 1 cycle. The anode samples were then examined by the SEM. The resulting images were 

then observed and analysed. The morphologies of Li‐S cells and Li‐Li cells are compared and contrasted.  

The aim of the experiment was to examine the effects of operating the cells on the lithium metal anodes 

at a constant current density. The cells were cycled at 200 µA/cm2. The list of Li‐S cells that were cycled 

and the Li‐Li cells that were used for electrochemical dissolution and deposition of lithium are listed in 

Table 1. 

Table 1: List of cells cycled/simulated to their respective SOCs 

Li‐S cells 

SoC (after cycling)  Active Sulphur mass (mg)  Cycling Procedure 

0 %  3.545  Discharge 

6.25 %  3.515  Discharge + Charge 

50 %  3.315  Discharge + Charge 

100 %  2.645  Discharge + Charge 

Li‐Li cells 

SoC (after cycling)  Duration of charge  Cycling procedure 

0 %  6 hours  Discharge 

6.25 %  6 hours + 23 mins  Discharge + Charge 

50 %  6 hours + 3 hours  Discharge + Charge 

100 %  6 hours + 6 hours  Discharge + Charge 

Page 40: Insights into the morphological changes undergone by the anode …765276/FULLTEXT02.pdf · 2014-11-21 · I would like to express my greatest gratitude to my parents, Madhavi and

Experimentation 

26  

4.1.1 Results and observations 

SEM images were captured at high magnification to examine the surface morphology of the lithium 

metal. Images representative of different anode morphologies (on macroscopic and microscopic scales) 

are presented below in Figure 14 for SoC 0%; Figure 15 for SoC 6.25 %; Figure 16 for SoC 50 %; and 

Figure 17 for SoC 100 %. From the examination of the lithium metal samples from the images and under 

the SEM, a number of observations could be made. These observations are listed below and are 

referenced to the representative images presented below.  

Figure 14: State of Charge: 0% Lithium metal morphologies after 1 discharge from Li‐S and Li‐Li cells (Macroscopic: (A) and (B); Microscopic: (C) and (D)) (Li‐S cells: (A) and (C); Li‐Li cells (C) and (D)) 

  Li‐S cell  Li‐Li cell 

Macroscopic 

   

Microscopic 

   

(A)

(C)

(B)

(D)

Page 41: Insights into the morphological changes undergone by the anode …765276/FULLTEXT02.pdf · 2014-11-21 · I would like to express my greatest gratitude to my parents, Madhavi and

Experimentation 

27  

 

 

As seen from Figure 14 (A) and (B) and Figure 15 (A) and (B), pits are formed during discharge as lithium 

is electrochemically dissolved in both cases, Li‐S cells and Li‐Li cells. Linear patterns of pitting were 

observed along marks from production (groove lines) on the lithium substrate (result of manufacturing) 

in both types of cells. On microscopic scale, the shapes of the pits were roughly circular (Figure 14 and 

Figure 15 (B), (D)), with the exception of the Li‐S sample cycled to SoC 6.25 % (Figure 15 (A), (C)). This 

sample had a mix of regular and irregular shaped pits. Images of the initial stages of lithium deposition 

(Figure 15 (C), (D)) showed that lithium deposition in the form of threads (commonly known as 

dendrites) nucleated at the edges of the lithium pits. Images of the SoC 0 % Li‐Li sample showed 

presence of impurities on the sample at some regions as seen in Figure 14 (D) 

  Li‐S cell  Li‐Li cell 

Macroscopic 

   

Microscopic 

   

Figure 15: State of Charge: 6.25% Lithium metal morphologies after 1 discharge and 6.25% charge from Li‐S and Li‐Li cells (Macroscopic: (A) and (B); Microscopic: (C) and (D)) (Li‐S cells: (A) and (C); Li‐Li cells (C) and (D)) 

(A)

(C) (D)

(B)

Page 42: Insights into the morphological changes undergone by the anode …765276/FULLTEXT02.pdf · 2014-11-21 · I would like to express my greatest gratitude to my parents, Madhavi and

Experimentation 

28  

Li deposition was not uniformly distributed across all the regions where lithium dissolution occurred in 

Li‐S cells (Figure 16 (A), Figure 17 (A)). In all samples, dendritic growth was observed in the vicinity of the 

pits usually covering the pits or filling them, making it difficult to identify if Li deposition filled out of the 

pits or grew over them. 

As seen from Figure 17 (C), Li growth filled out the pits formed during Li dissolution in some regions of 

Li‐S cells. No such phenomenon was observed in a “fully charged” sample of the Li‐Li cell. Otherwise, Li 

growth in both cells at full charge was found to be similar. Another observation made during sample 

extraction was that distribution of the electrolyte on the electrode/separator while sealing the cell 

during assembly influenced the area of the lithium electrode that participated in the electrochemical 

reactions 

  Li‐S cell  Li‐Li cell 

Macroscopic 

   

Microscopic 

   

Figure 16: State of Charge: 50% Lithium metal morphologies after 1 discharge and half charge from Li‐S and Li‐Li cells (Macroscopic: (A) and (B); Microscopic: (C) and (D)) (Li‐S cells: (A) and (C); Li‐Li cells (C) and (D)) 

(C)

(B)

(D)

(A)

Page 43: Insights into the morphological changes undergone by the anode …765276/FULLTEXT02.pdf · 2014-11-21 · I would like to express my greatest gratitude to my parents, Madhavi and

Experimentation 

29  

 

The approximate estimated values of pit sizes for each of the 4 Li‐S samples and the 4 Li‐Li samples were 

calculated using Image‐J. These values are listed in Table 2. Given that the data has been calculated from 

the analysis of the images alone, the results can only be considered as an approximate measure of the 

surface feature statistics. In some spots pits of much higher diameters (70 µm) were found, but only in 

very low frequency, possibly due to irregular Li dissolution. The pit diameters in Table 2 are an 

approximate range of the diameters/widths of the pits calculated with a confidence level of about 90 %. 

   

  Li‐S cell  Li‐Li cell 

Macroscopic 

   

Microscopic 

   

Figure 17: State of Charge: 100 % Lithium metal morphologies after 1 discharge and full charge from Li‐S and Li‐Li cells (Macroscopic: (A) and (B); Microscopic: (C) and (D)) (Li‐S cells: (A) and (C); Li‐Li cells (C) and (D)) 

(A) (B)

(C) (D)

Page 44: Insights into the morphological changes undergone by the anode …765276/FULLTEXT02.pdf · 2014-11-21 · I would like to express my greatest gratitude to my parents, Madhavi and

Experimentation 

30  

Table 2: Dimensional statistics of the anode samples from Li‐Li cells and Li‐S cells 

SOC (after cycling) 

Range of pit diameters (µm) 

Dendrite widths (µm) 

Mean dendrite area % within cycled area with pits 

Li‐S cells  Li‐Li cells  Li‐S cells  Li‐Li cells  Li‐S cells  Li‐Li cells 

0 %  12 – 45  14 – 35  ‐  ‐  0  0 

6.25 %  16 – 39  17 – 39  1 – 5  2 – 4  1.5  1.5 

50 %  25 – 55  18 – 42  3 – 7  4 – 7  40  42 

100 %  20 – 50  12 – 32  4 – 8  5 – 10  56  65 

4.1.2 Discussion 

During initial studies, that Li‐S cells used in the project were unable to maintain stable cycling beyond 5 

cycles with LiClO4. Also during experimentation, the mass of sulphur varied per sample and was 

inconsistent due to erosion of the sulphur coating during assembly. Use of symmetrical Li‐Li cells using 

lithium metal strips for both electrodes was considered as an alternative method for more repeatable 

and consistent experiments. However, the symmetrical cell approach necessitated prior addition of 

polysulphides in the electrolyte to maintain the same surface chemistry as in the Li‐S cell. The 

experiment examined the possibility of using Li‐Li cells in the subsequent experiments without the 

presence of a composite cathode which might have possible effects on the anode morphologies. 

As seen from the observations and results of the image analysis, the effect of the electrochemistry of 

the lithium metal anode is independent of the presence of a composite cathode. The surface feature 

dimensions in both cells are approximately equal. The distribution of dendrites with respect to the pits 

was approximately equal in both the cells Li‐S and Li‐Li as seen in Table 2. The irregular shapes of pits in 

one sample (Li‐S: SOC 6.25 %) (Figure 15 (A), (C)) are considered an exception to the otherwise uniform 

Li‐dissolution mechanism. A possible explanation for these shapes could due to unintentional 

deformation of the Li substrate caused while handling the Li electrode during cell assembly.  

Lithium dissolution occurred mainly along the groove lines on the lithium metal substrate, where the SEI 

was most likely to be inhomogeneous, a result from the manufacturing process of lithium, consistent 

with literature observations by Gireaud et. al. [69] and Aurbach et. al. [82,85,95]. A strong localized 

electric field, due to higher interfacial energy at the grooves, could also facilitate Li dissolution. Similarly, 

Li deposition in the form of dendrites also occurred in the vicinity of the pits consistent with the 

Page 45: Insights into the morphological changes undergone by the anode …765276/FULLTEXT02.pdf · 2014-11-21 · I would like to express my greatest gratitude to my parents, Madhavi and

Experimentation 

31  

observations in previous literature [69,74–76], indicating that the growth of dendrites is preferential to 

regions with inconsistent SEI and surface defects (in this case, edges of pits formed on dissolution).  

The only occurrence of dendrites filling out the pits was seen in a few regions of the SoC 100 % Li‐S 

sample (Figure 17 (C)). It is difficult to justify this occurrence and since this did not occur elsewhere, it 

was not studied further. Apart from these observations, the morphologies of the anode surfaces in the 

Li‐S and Li‐Li cells at various stages of cycling were very similar, thereby facilitating the use of Li‐Li cells 

for further experiments in this project. 

 

4.2 Effect of varying sulphur loading on lithium morphology 

In LiSBs made for practical applications, the total capacity of the battery can increased by increasing the 

active sulphur mass in the cathode (sulphur loading), while simultaneously maintaining the gravimetric 

energy density of LiSBs. This project aims to understand the influence of the varying sulphur loading on 

the lithium metal morphology.  

The condition of varying sulphur loading in the cell is simulated in Li‐Li cells by varying the current 

density applied to the cell, without varying the duration of charge or discharge (i.e., rate of charge (C‐

rate)); i.e. cells were discharged at three different current densities within the same amount of time, 

indicating that the hypothetical Li‐S cell equivalents had different total charge capacities through 

different amounts of sulphur content. 12 samples were studied for this experiment at various states of 

charge within 1 cycle. 8 samples were prepared in addition to the Li‐Li samples from the previous 

experiment. The list of samples and their cycling conditions are listed in Table 3. 

   

Page 46: Insights into the morphological changes undergone by the anode …765276/FULLTEXT02.pdf · 2014-11-21 · I would like to express my greatest gratitude to my parents, Madhavi and

Experimentation 

32  

Table 3: Li‐Li cells at their respective simulated SOC cycled at varying current densities 

Current Density (J) (μA/cm2) 

Cycling Procedure  Duration 

200 

 

1 Discharge  6 hours 

1 Discharge + 6.25 % Charge  6 hours + 23 mins 

1 Discharge + 50 % Charge  6 hours + 3 hours 

1 Discharge + 100 % Charge  6 hours + 6 hours 

400 

 

1 Discharge  6 hours 

1 Discharge + 6.25 % Charge  6 hours + 23 mins 

1 Discharge + 50 % Charge  6 hours + 3 hours 

1 Discharge + 100 % Charge  6 hours + 6 hours 

800 

 

1 Discharge  6 hours 

1 Discharge + 6.25 % Charge  6 hours +23 mins 

1 Discharge + 50 % Charge  6 hours + 3 hours 

1 Discharge + 100 % Charge  6 hours + 6 hours 

 

4.2.1 Results, observations and analysis 

Representative macroscopic images of the samples studied are presented in Figure 18. Images of the 

samples were analysed using Image‐J as in the previous experiment. Most of the images were 

successfully analysed. However, in the case of fully charged samples at 800 µA/cm2, estimated 

calculations were used for pit dimensions, since the images were not able to provide sufficient pit 

formations due to the thick dendritic layer on top of the lithium substrate. The dimensional statistics of 

the Li‐Li cells are listed in Table 4 and presented as histogram in Figure 19. The relationships between 

current density and morphological measurements are shown in Figures 20 and 21. 

   

Page 47: Insights into the morphological changes undergone by the anode …765276/FULLTEXT02.pdf · 2014-11-21 · I would like to express my greatest gratitude to my parents, Madhavi and

Experimentation 

33  

  200 µA/cm2  400 µA/cm2  800 µA/cm2 

State of charge: 0 % 

     

State of charge: 6.25 %       

State of charge: 50 % 

     

State of charge: 100 %       

Figure 18: Representative macroscopic morphologies of all samples (Current density increasing across; State of charge increasing downwards) (Red circles indicate the presence of dendrites on groove lines, as discussed in this section) 

 

(A)  (B) (C)

(D)  (E) (F)

(G)  (H) (I)

(J)  (K) (L)

Page 48: Insights into the morphological changes undergone by the anode …765276/FULLTEXT02.pdf · 2014-11-21 · I would like to express my greatest gratitude to my parents, Madhavi and

Experimentation 

34  

Table 4: Dimensional statistics associated with the morphologies of the samples 

SOC % Current 

Density (J) (μA/cm2) 

Pit diameters/widths (µm) 

Dendrite thickness (µm) Dendrite area 

fraction 

200  

14 – 35  N/A  0  % 

6.25  17 – 39  2 – 4  1.5 % 

50  18 – 42  4 – 7  42 % 

100  12 – 32  5 – 10  65 % 

400  

35 – 84  N/A  0 % 

6.25  29 – 78  5 – 10  < 1 % 

50  30 – 70  4 – 12  46 % 

100  33 – 74  5 – 13  74 % 

800  

49 – 160  N/A  0 % 

6.25  46 – 139  4 – 10  11 % 

50  55 – 155  4 – 10  65 % 

100  49 – 160 (approximated)  7 ‐ 12  90 % 

 

 Figure 19: The frequency of approximate intervals of pit sizes for the samples studies. 

 

Page 49: Insights into the morphological changes undergone by the anode …765276/FULLTEXT02.pdf · 2014-11-21 · I would like to express my greatest gratitude to my parents, Madhavi and

Experimentation 

35  

Figure 20: Current density versus approximate pit sizes  Figure 21: Current density versus dendrite area fraction 

From the examination analysis of the samples, a number of observations were drawn. The observations 

are listed below, referenced to their images. 

Sizes of the lithium pits, formed during discharge, were directly proportional to the applied current 

density. The results of Image‐J analysis from Table 4 and Figure 20 also support this observation. 

The shapes and continuities of the pits, with increasing current density were increasing in 

irregularity (Figures 18 (A) – (F)). The area of some of the pits in the sample at SOC 100% charged at 

800 µA/cm2 had to be assumed of rectangular shapes instead of the circular shapes used in other 

samples, thereby approximating the diagonal measurements as pit widths. 

The dissolution of lithium still occurred along the groove lines for samples of all current densities. 

(Figure 18 (A) – (C)).  

The growth of the dendrites during charging, seems to have started at the impurities and defects 

often at the edges of pits evident as noted in the SOC 6.25% and 50% samples (Figures 18 (D) – (G)). 

Dendrite growth at higher current densities was more expansive and covered a larger area on the 

surface. This was evident in SOC 50% samples cycled at 400 and 800 µA/cm2 (Figure 18 (H), (I), (k) 

and (L)) and in Figure 21. 

The approximate thickness of the dendrites varied only marginally (Table 4), showing that it is 

independent of the applied current density. 

4.2.2 Discussion 

As observed, even at higher current densities, the lithium dissolution still occurred along the groove 

lines, and grew along to form irregular shapes of pitting, as seen in the previous experiment. The almost 

Page 50: Insights into the morphological changes undergone by the anode …765276/FULLTEXT02.pdf · 2014-11-21 · I would like to express my greatest gratitude to my parents, Madhavi and

Experimentation 

36  

linear proportionality of pit sizes with increased current density is perhaps understandable as the 

applied current density is directly proportional to the amount of Li dissolved from the surface. While the 

size of the pits has increased, it is difficult however to observe whether the depth of the pits has 

increased. A possible method to study the depths of the pits formed would be to examine the cross‐

section of the anode with the SEM. However this was not examined because the cross‐sectional surface 

of the lithium sample was altered during sample preparation through physical and possibly chemical 

distortion with a blade used for cutting the sample. Use of advanced methods such as focussed ion 

beam (FIB) to cut the Li sample was beyond the scope of this project. 

Nucleation of dendrites, occurred only along groove lines and surface defects due to a higher interfacial 

energy even in samples cycled at progressively higher current densities. However dendrite growth 

occurred across the surface of the anode more expansively when the cells were charged at 800 µA/cm2. 

It can be suggested that dendrite growth followed Monroe and Newman’s model for liquid electrolytes, 

where the growth of the dendrites was directly proportional to the applied current density (refer 

chapter 2.2.1). In a deviation to the previous study by Arakawa et. al. [68], the shapes and sizes of the 

dendrites were independent of the applied current density, at least within the first cycle.   

Since the electric field, resulting from the applied current density, is strongest at the surface and 

weakens with increasing distance from the anode, the dendrites begin to grow perpendicular to the 

surface of the anode. Considering that the abundance of Li+ ions decreases with increasing distance from 

the anode, the growth direction shifts gradually to grow parallel to the anode after some distance [73]. 

Depending on the type of the separator membrane used, the dendrites can possibly grow beyond 

through the pores of the separator and can contact the positive electrode, resulting in a short circuit 

This experiment can be understood as an indication of the effect of increasing the sulphur loading (i.e., 

the areal capacity) in the application, thereby increasing the effective current density at the anode. This 

would result in a growing inhomogeneity in the lithium surface caused by increasing strength in the 

applied current, which could effectively deteriorate the sample over a number of cycles, also sometimes 

causing other effects such as short circuits (only happens when the lithium penetrates the separator and 

comes in contact with the cathode) and electrolyte depletion by passivation over a higher area of the 

exposed of the lithium surface. 

Given that practical conditions for batteries involve an applied current density of 2 – 10 mA/cm2, 

extensive dendrite growth is inevitable. However, at higher current densities, dendrite growth can 

Page 51: Insights into the morphological changes undergone by the anode …765276/FULLTEXT02.pdf · 2014-11-21 · I would like to express my greatest gratitude to my parents, Madhavi and

Experimentation 

37  

probably be slowed down by increasing tLi, the transference number of lithium ions in the electrolyte, as 

proposed by the Chazalviel model. This can be increased by increasing the concentration of lithium salts 

in the electrolyte, thereby mitigating dendrite growth to an extent, if not totally prevent it. The typical 

values for tLi in dilute electrolytes is approximately 0.3 and studies have shown that this can be increased 

to 0.6‐0.7 in concentrated electrolytes [96].  

4.3 Effect of self‐discharge of Li‐S cells on the lithium anode 

This experiment aims to chemically characterize the surface films formed on the lithium anode from 

three distinct conditions of cycling in order to understand the self‐discharge, caused by chemical PS 

reduction, on the anode. This experiment used XPS for chemical characterization combined with SEM for 

study of Li anode morphologies at various cases. The XPS studies were conducted by Julia Maibach at 

the Ångström Advanced Battery Centre at Uppsala University.  

A current density of 400 µA/cm2 was applied to Li‐Li cells which were cycled. A pristine Li was studied in 

the XPS by Dr. Maibach as a reference for XPS studies of other samples which were soaked in PS 

containing electrolyte. The samples studied in this experiment and their experimental conditions are 

listed in Table 5. The samples which are underlined were studied by the SEM for morphologies. The self‐

discharge condition in the Li‐Li cell was simulated by storing the cell in idle open circuit conditions for a 

period of 10 days after the 1st cycle. 

Table 5: List of samples studied in the experiment 

Sample  Idle duration after assembly  Idle duration after 1st cycle 

Pristine Li  ‐  ‐ 

Soaked Li  12 hours  ‐ 

Charged Li  0 hours  0 hours 

Self‐discharged Li  0 hours  10 days 

4.3.1 Results 

Both XPS and SEM were used to study mechanisms of self‐discharge of Li‐S cells. The SEM analysis was 

done on the specific areas of the samples that had been studied by XPS, making it possible to correlate 

surface texture with element analysis. EDX was used as a complement to the SEM studies, to verify 

origin the sulphur on a microscopic level and hence correlating SEM and XPS. The XPS spectrum of 

Page 52: Insights into the morphological changes undergone by the anode …765276/FULLTEXT02.pdf · 2014-11-21 · I would like to express my greatest gratitude to my parents, Madhavi and

Experimentation 

38  

fluorine (F1s) for the pristine, soaked, charged and self‐discharges Li samples is presented in Figure 22 

and the spectrum of sulphur (S2p) for the soaked, charged and self‐discharged Li samples is presented in 

Figure 23. The SEM images for soaked Li (Figure 24), charged Li (Figures 25 and 26) and self‐discharged Li 

(Figures 27‐29) samples are also presented in the following pages with sample‐wise observations. 

 

Figure 22: Fluorine spectrum F1s: the obtained intensity versus binding energy results for lithium samples 

Figure 23: Sulphur spectrum S2p:  the obtained intensity versus binding energy results for lithium samples 

Figure 24:Macroscopic image of the morphology of the soaked Li sample 

Figure 25: Macroscopic image of the morphology of the charged Li sample 

 

LiF

LixSyOz Li2Sx

Page 53: Insights into the morphological changes undergone by the anode …765276/FULLTEXT02.pdf · 2014-11-21 · I would like to express my greatest gratitude to my parents, Madhavi and

Experimentation 

39  

Figure 26: Microscopic image of the morphology of the charged Li sample 

Figure 27: Image of the surface of the self‐discharged Li sample. Note: The red circles highlight the rough mossy features found in the vicinity of the pits on the surface 

Figure 28: Macroscopic image of the morphology of the self‐discharged Li sample. Note: The red circles highlight the rough mossy features found on the surface of the dendrites 

Figure 29: Microscopic image of the morphology of the self‐discharged Li sample. Note: The red circles highlight the rough mossy features found on the surface of the dendrites 

Pristine Li 

As seen from the F1s spectrum in Figure 22, the peak centred on 685 eV, attributed to LiF, was noted as 

a higher emission for the pristine Li sample as compared to the other samples. Since no fluorine based 

compounds were used in the sample preparation, the presence of fluorine could be attributed to a 

number of external sources such as adsorption of F‐containing species in the glove box atmosphere on 

the sample surface or fluorine contamination of the lithium metal during the manufacturing process. 

Soaked Li 

XPS studies of the soaked Li sample also showed a peak for LiF of lower intensity as compared to the 

pristine Li sample. The sulphur spectral line (S2p) (Figure 23) showed a peak at 166 eV – 170 eV, which 

was attributed to a range of oxidised sulphur species (LixSyOz), where the oxidation state of S is positive. 

Page 54: Insights into the morphological changes undergone by the anode …765276/FULLTEXT02.pdf · 2014-11-21 · I would like to express my greatest gratitude to my parents, Madhavi and

Experimentation 

40  

A low intensity peak was noted as at 161 – 162 eV, which was indicative of sulphide species such as Li2Sx, 

where the oxidation state of S is negative. This indicated that LixSyOz compounds are present in higher 

concentration than Li2Sx at the surface. The sample also exhibited a peak for sulphur compounds of 

intermediate oxidation states (163 – 165 eV) as well the presence of other forms of sulphur on the SEI. 

SEM studies of the soaked Li sample showed no presence of pits or dendrites (Figure 24) indicating that 

no electrochemical reactions took place in the Li‐Li cell without cycling. While the XPS results indicated 

that some chemical reactions occurred at the anode surface, these were not visible by the SEM due to 

the spatial resolution of the technique. 

Charged Li 

XPS studies of the charged Li sample showed no peaks for F1s. Sulphur spectrum, S2p showed 2 peaks of 

similar intensities for Li2Sx (161 – 162 eV) and LixSyOz (166 – 170 eV), suggesting that both kinds of 

sulphur species were formed during cycling. SEM studies of the sample revealed a dendrite and pit 

formations in the surface. A mossy rough texture, indicating a form of corrosive reaction, was observed 

on the surface of the dendrites as observed in Figures 25 and 26. Such morphology was not seen in a 

similar sample studied in the previous experiment. It could be possible that due to storage in the glove 

box for an extended period of 10 days after the XPS studies has resulted in contamination of the sample. 

Self‐Discharged Li 

The sample had been cycled and kept idle in assembled state for 10 days. XPS studies of the sample 

revealed that for sulphur S2p, the peak for Li2Sx compounds (161 – 162 eV) was significantly higher than 

the peak for LixSyOz compounds (166 – 170 eV), as compared to other samples. This indicated that a 

greater quantity of sulphide based species were found on the surface than oxidised sulphur compounds. 

SEM studies of the sample revealed interesting features in the vicinity of pits and dendrites on the 

sample substrate. Mossy textures were found at the edges of the pits (as highlighted by the red circles in 

Figure 27 on the lithium surface. Similarly, distinct rough surface features were encountered frequently 

on the surface of Li outgrowths (dendrites) from cycling as highlighted in Figures 28 and 29.  

The EDX study of a cycled region on the sample indicated a presence of sulphur along with oxygen and 

carbon. However, it must be noted that carbon peaks in the EDX could be exaggerated due to the 

presence of residual carbon from the conductive carbon tape stuck to the sample in the presence of the 

electron beam in the SEM and is therefore unreliable. 

Page 55: Insights into the morphological changes undergone by the anode …765276/FULLTEXT02.pdf · 2014-11-21 · I would like to express my greatest gratitude to my parents, Madhavi and

Experimentation 

41  

4.3.2 Discussion 

The XPS study of the samples has provided distinguishing insights about the composition of the SEI on 

each sample. The decreasing concentrations of fluorine based compounds with the increasing exposure 

to the electrolyte and the electrochemical reactions can be explained by the formation of over‐layers of 

other compounds from the electrolyte, resulting in a thicker SEI. Due to the limited probing depth of 

XPS, it is possible that the signal for fluorine was suppressed in the deeper regions of the SEI. 

When soaked in the electrolyte, the dissolved PS molecules rapidly react with the lithium metal in the 

presence of LiNO3 resulting in the formation of oxidised sulphur species on the soaked sample as seen in 

Figure 22. LiNO3 in the electrolyte prevents the formation of a high concentration of sulphide 

compounds on the lithium metal surface by readily reacting with the lithium surface to form a 

passivating layer consisting of stable compounds. When a current is applied to the cell, the constituent 

compounds in the electrolyte instantly reduce at the lithium surface to form further passivating 

compounds on the surface of the charged Li sample as seen with oxidised sulphur species (SOx) (Figure 

20). The peak for sulphide compounds (Li2Sx) can be explained by the electrochemical redox reaction in 

the Li‐S cell (refer Chapter 2.1.2) resulting in the deposition of solid PS on the anode. 

The self‐discharged sample has exhibited a significantly larger quantity of Li2S with respect to LixSyOz 

species that the charged sample. This indicates that the chemical PS redox reaction takes effect when 

the cell was left idle for 10 days. The dissolved PS in the electrolyte corroded the lithium anode forming 

the precipitates Li2Sx on the SEI. Previous literature on the phases of lithium sulphide have pointed out 

that Li2S is the only thermodynamically compound that could exist in the operating window of the Li‐S 

cell [97]. While other PS species such as Li2S2 and Li2S4 may have precipitated initially, it is possible that 

they were most likely to be consumed in reactions with the electrolyte components due to their meta‐

stable state. This experiment thereby suggests that in spite of the addition of LiNO3 to the electrolyte, 

self‐discharge reactions are not entirely contained, at least for storage periods over 10 days. 

The SEM study of the self‐discharged sample revealed interesting insights about the effect of self‐

discharge on the Li morphology. While the formation of sulphide and oxidised sulphur species was not 

visibly distinct, the effect of the PS redox shuttle could be seen manifesting on the lithium anode in the 

form of mossy or visibly dissimilar surface features as highlighted in Figures 24 – 26. These features were 

found in the vicinity of the surface defects (in this case, edges of pits and dendrites) of the substrate, 

suggesting that corrosion of the anode by the chemical PS redox reactions was localised to specific 

Page 56: Insights into the morphological changes undergone by the anode …765276/FULLTEXT02.pdf · 2014-11-21 · I would like to express my greatest gratitude to my parents, Madhavi and

Experimentation 

42  

regions on the surface. Inhomogeneous SEI and higher interfacial energy of the large surface 

imperfections may have facilitated preferential corrosion. Based on this observation it can be argued 

that the surface state of the anode also influences the mechanism by which dissolved PS chemically 

corrode the anode, indicating the role of anode morphology in self‐discharge. Further experiments must 

be conducted to confirm this argument based on repeatable results. 

It must also be noted that EDX study is a very approximate method to chemically characterise the 

surface of the Li anode and also study lighter elements such as oxygen, and is therefore accurately 

applicable only to identify sulphur presence on the sample surface. Moreover, the source for higher 

oxygen presence in the result could be due to atmospheric or other contamination of rough surface 

features during SEM transfer. 

4.4 Effect of cycling on the Li anode 

In this experiment, 7 Li‐Li cells were assembled and cycled under a uniform current density of 400 

µA/cm2 to various number of cycles, extracted and studied using the SEM. The morphologies of the Li 

anodes were qualitatively studied in order to identify any distinct surface erosions that might have 

resulted from the repetitive electrochemical reactions. The SoC 100% sample charged at 400 µA/cm2 

from Experiment 4.2 was also studied. The cycling conditions for the lithium samples are listed in Table 

6. 

Table 6: List of anode samples and cycling conditions 

Number of cycles  Duration of cycling 

1 Cycle  12 hours 

1 Cycle + Discharge  18 hours 

2 Cycles  24 hours 

2 Cycles + Discharge  30 hours 

4 Cycles  48 hours 

4 Cycles + Discharge  54 hours 

8 Cycles  96 hours 

8 Cycles + Discharge  102 hours 

 

Page 57: Insights into the morphological changes undergone by the anode …765276/FULLTEXT02.pdf · 2014-11-21 · I would like to express my greatest gratitude to my parents, Madhavi and

Experimentation 

43  

4.4.1 Results 

The images representative of the anode morphologies at microscopic scale are presented in Figure 28. 

As observed from Figure 30, Li dissolution after the first cycle left a spiky features on top of the 

dendrites seen in (B). The initial smooth texture of the dendrites was witnessed less frequently. 

However as seen from (C), towards the end of the 2nd cycle, the typical dendritic structure of the lithium 

anode was still maintained. The dendrite surface texture from the observed regions was smooth and at 

the lithium metal substrate was noticeable. In case of the subsequent discharge sample, Li dissolution 

from the surface occurred in the form of erosive defects and pits and possible pitting which may have 

occurred underneath the dendrites. The sample revealed a rough texture material which was on the 

edges of the dendrites. As seen from image (D), a few features resembled thin spiky material on the 

dendrites and the surface. 

As seen from (E) dendrite deposits formed clumps on the surface at the end of the 4th cycle rather than 

branching out as noted in the first cycle in previous experiments. The rough, spiky features also seemed 

to agglomerate and deposit on the substrate. The spiky features were encountered more frequently on 

this sample. The morphology subsequent discharge sample (F), was dominated by spiky lithium features 

while the presence of relatively fewer dendrites. The substrate of the lithium surface appeared to 

consist of pits and lithium dissolution features from the previous cycles. It could be suggested from 

these observations that in the later cycles, lithium dissolution was taking place at the surface of the 

dendrites rather than the surface of the substrate. At the end of the 8th cycle (G), the surface was 

dominated by structures that resembled the lithium fragments. Dendritic deposition was not observed 

on this sample. Instead, agglomerations of dendrites appeared to have formed. After the subsequent 

discharge (H), the surface was dominated by fragments (highlighted in (H)) and spiky, rough features. 

Lithium pits and dendrites were observed, possibly as the substrate of the lithium sample was not 

visually accessible. 

 

Page 58: Insights into the morphological changes undergone by the anode …765276/FULLTEXT02.pdf · 2014-11-21 · I would like to express my greatest gratitude to my parents, Madhavi and

Experimentation 

44  

  Cycled sample  Cycled + discharged sample 

1 Cycle 

   

2 Cycles 

   

4 Cycles 

   

8 Cycles 

   

Figure 30: Representative macroscopic morphologies of all samples after full cycles and after subsequent discharge (Number of cycles increasing downwards) (Cycled samples: (A), (C), (E) and (G); Cycled + discharged samples: (B), (D), (F) and (H)) (1 Cycle: (A) and (B); 2 Cycles: (C) and (D); 4 Cycles: (E) and (F); 8 Cycles (G) and (H). Red circles indicate agglomerates as discussed in this section 

(A) (B)

(C) (D)

(E)

(H)(G)

(F)

Page 59: Insights into the morphological changes undergone by the anode …765276/FULLTEXT02.pdf · 2014-11-21 · I would like to express my greatest gratitude to my parents, Madhavi and

Experimentation 

45  

4.4.2 Discussion 

As seen from the observations, lithium morphology transitions over increasing number of cycles from 

dendrites and pits to sharp, rough deposits, particularly seen after a discharge step. On further 

increasing the number of cycles, it appeared that the dendrite formations and the sharp deposits were 

segregated into district agglomerates of their surface texture. Further cycling produced what seemed to 

be the presence of lithium fragments. Li dissolution, obstructed by the abundant dendrites at the 

surface, ceases to take place at the substrate of the anode. This could result in possible Li dissolution of 

the dendrites, which are essentially, extensions of the lithium substrate, during discharge. A similar 

mechanism was identified by López et. al. [65]. Due to the protruding nature of the dendrites, lithium 

dissolution can also germinate at the dendrites, leading to possible thinning of dendrites in lithium metal 

batteries (Figure 4) and rise of needle‐like Li as noted in previous studies [66,68]. Uneven dissolution of 

the dendrites, based on the homogeneity of the SEI and the interfacial energy on the dendrite surfaces 

might have caused the formation of sharp and rough dendrites. These features upon further dissolution 

form the rough surface material which lose electrical contact with the substrate.  

However, further study needs to be conducted to understand the possible origins of the sharp and 

rough deposits which appeared on the edges of the dendrites at the after the 5th discharge and also the 

possible reasons as to what causes the agglomeration of the surface features to form fragments. 

Extensive quantitative studies of the anode morphologies are also required to support the observations 

made in this experiment. 

Page 60: Insights into the morphological changes undergone by the anode …765276/FULLTEXT02.pdf · 2014-11-21 · I would like to express my greatest gratitude to my parents, Madhavi and

Conclusions and outlook 

46  

5 Conclusions and outlook 

In this work, the morphological changes undergone by the lithium metal anode in the lithium sulphur 

battery system under various experimental conditions of cycling have been studied using electron 

microscopy, a surface sensitive method, as the main technique to image and analyse the lithium anode 

morphologies. Also, a brief investigation was carried out using photoelectron spectroscopy (XPS) in 

tandem with the SEM understand the influence of the lithium anode morphology on the self‐discharge 

phenomenon in the Li‐S cell and vice versa. 

Through the use of simple symmetrical Li‐Li cells, it was revealed that almost all resultant formations of 

electrochemical dissolution (pits) and deposition (dendrites) occurred preferentially along groove lines 

and surface defects from the manufacturing and prior handling of the Li metal anode. This observation 

was explained by the presence of a higher interfacial energy and the presence of an inhomogeneous 

solid electrolyte interface (SEI) at these surface defects, suggesting that the initial surface state of the 

anode significantly affects the ensuing morphological changes, consistent with the literature. Overall, 

the experiment also showed that the effect of the electrochemistry on the morphologies of Li‐S cells and 

Li‐Li cells was similar and that Li‐Li cells can be used as an alternative and reliable method to simulate 

the morphological changes on the anode. 

The effect of increased sulphur loading on the anode was simulated by varying the current density 

applied on the Li‐Li cells while cycling. Lithium dissolution was found to be linearly proportional to the 

applied current density, evident in the increasing sizes of lithium pits with increasing current density 

consistent with the expected process of lithium dissolution. Lithium deposition across the surface of the 

anode was found to be directly proportional to current density with the rate of lithium deposition 

proportional to the current density, consistent with the predictions of the Monroe and Newman model 

of dendrite growth. Another interesting observation was that the approximate widths of the dendrites 

was independent of the applied current density, at least within the first cycle. Overall it can be 

summarized that with increased sulphur loading, the electrochemical effects on the Li anode will be 

more severe and continuous cycling using higher sulphur content in a Li‐S cell will result in accelerated 

erosion of the anode. This study could be extended further by SEM examination the cross‐sections of Li 

anode samples through advanced methods of sample preparation (FIBs). 

Page 61: Insights into the morphological changes undergone by the anode …765276/FULLTEXT02.pdf · 2014-11-21 · I would like to express my greatest gratitude to my parents, Madhavi and

Conclusions and outlook 

47  

The effect of multiple cycles on the Li anode was examined qualitatively using the SEM. The 

observations revealed that the Li anode undergoes severe erosion within the first 10 cycles. This 

experiment can be investigated further by examining the anodes after consecutive cycles to study the 

source of dendrite agglomerations observed at later cycles. 

The effect of self‐discharge on the anode was studied using XPS and the results indicated that while 

LiNO3 was able to partially mitigate the effect of PS reduction on the anode initially, it was unable to 

prevent the formation of Li2Sx. The effect of self‐discharge was seen in the form of corrosion on the 

anode by chemical PS redox reactions. When studied in the SEM, it was revealed that corrosion was 

localised taking place preferentially at the edges of pits and on the surfaces of dendrites. This 

experiment has shown that the morphology of the anode also influences the mechanism by which PS 

corrode the anode and it could be suggested that an eroded anode surface is more prone to chemical 

redox corrosion and thereby, self‐discharge. Further studies using XPS analysis in combination with SEM 

could help support these arguments. 

In addition to the recommendations mentioned in the summary, the initial lithium anode morphologies 

could also be studied using electron microscopy after cycling in the presence of caesium and rubidium 

salt additives in the electrolyte. Ding and co‐workers found that during lithium deposition, Cs+ and Rb+ 

cations, which at low concentrations, have a lower reduction potential than Li+ ions, are attracted to the 

protuberant tip of a lithium dendrite, electrostatically forming a shield around the dendrite, thereby 

forcing the Li+ ions to deposit in an alternate region due to electrostatic repulsion [98]. This mechanism, 

known as the self‐healing electrolyte electrostatic shield (SHES), helps in the formation of a relatively 

smoother morphology on the anode. SHES is considered as one of the most promising strategies for 

dendrite suppression in lithium metal batteries. It could be very useful to know its effectiveness in the 

lithium sulphur battery system. 

Page 62: Insights into the morphological changes undergone by the anode …765276/FULLTEXT02.pdf · 2014-11-21 · I would like to express my greatest gratitude to my parents, Madhavi and

References 

48  

6 References 

[1]  British Petroleum, 2013, “BP Statistical Review of World Energy: June 2013” [Online]. Available: http://www.bp.com/content/dam/bp/pdf/statistical‐review/statistical_review_of_world_energy_2013.pdf. [Accessed: 03‐May‐2014]. 

[2]  Baroni, M., 2013, “World Energy Outlook 2013,” Int. Energy Agency [Online]. Available: http://www.iea.org/media/weowebsite/2013/iew2013/IEW2013WEOpresentations.pdf. [Accessed: 03‐May‐2014]. 

[3]  Organization of the Petroleum Exporting Countries, 2013, “World Oil Outlook 2013” [Online]. Available: http://www.opec.org/opec_web/static_files_project/media/downloads/publications/WOO_2013.pdf. [Accessed: 03‐May‐2014]. 

[4]  International Energy Agency, 2013, “Key World Energy Statistics,” Int. Energy Agency [Online]. Available: http://www.iea.org/publications/freepublications/publication/KeyWorld2013.pdf. [Accessed: 13‐Apr‐2014]. 

[5]  Alternate Fuels Data Center, 2013, “Fuel Properties Comparison” [Online]. Available: http://www.afdc.energy.gov/fuels/fuel_comparison_chart.pdf. [Accessed: 03‐May‐2014]. 

[6]  Gale, J., Bradshaw, J., Chen, Z., Garg, A., Gomez, D., Rogner, H.‐H., Simbeck, D., and Williams, R., 2012, “Sources of CO2,” IPCC Spec. Rep. Carbon dioxide Capture Storage, pp. 78 – 84 [Online]. Available: http://www.ipcc.ch/pdf/special‐reports/srccs/srccs_chapter2.pdf. [Accessed: 03‐May‐2014]. 

[7]  Kahn Ribeiro, S., Kobayashi, S., Beuthe, M., Gasca, J., Greene, D., Lee, D. S., Muromachi, Y., Newton, P. J., Plotkin, S., Sperling, D., Wit, R., and Zhou, P. J., 2007, “Transport and its infrastructure,” Clim. Chang. 2007 Mitigation. Contrib. Work. Gr. III to Fourth Assess. Rep. Intergov. Panel Clim. Chang., pp. 325 – 380 [Online]. Available: http://www.ipcc.ch/pdf/assessment‐report/ar4/wg3/ar4‐wg3‐chapter5.pdf. [Accessed: 03‐May‐2014]. 

[8]  Quirin, M., Gärtner, S. O., Pehnt, M., and Reinhardt, G. A., 2004, CO2 Mitigation through Biofuels in the Transport Sector Status and Perspectives, Heidelberg. 

[9]  Bruce, P. G., Freunberger, S. a, Hardwick, L. J., and Tarascon, J.‐M., 2012, “Li‐O2 and Li‐S batteries with high energy storage.,” Nat. Mater., 11(1), pp. 19–29. 

[10]  Etacheri, V., Marom, R., Elazari, R., Salitra, G., and Aurbach, D., 2011, “Challenges in the development of advanced Li‐ion batteries: a review,” Energy Environ. Sci., 4(9), p. 3243. 

[11]  Kinoshita, K., 2000, Energy Storage Systems in Electronics, CRC Press. 

Page 63: Insights into the morphological changes undergone by the anode …765276/FULLTEXT02.pdf · 2014-11-21 · I would like to express my greatest gratitude to my parents, Madhavi and

References 

49  

[12]  Xu, W., Wang, J., Ding, F., Chen, X., Nasybulin, E., Zhang, Y., and Zhang, J.‐G., 2014, “Lithium metal anodes for rechargeable batteries,” Energy Environ. Sci., 7(2), p. 513. 

[13]  Aurbach, D., Zinigrad, E., Teller, H., and Dan, P., 2000, “Factors Which Limit the Cycle Life of Rechargeable Lithium (Metal) Batteries,” J. Electrochem. Soc., 147(4), p. 1274. 

[14]  Huang, C., Xiao, J., Shao, Y., Zheng, J., Bennett, W. D., Lu, D., Laxmikant, S. V, Engelhard, M., Ji, L., Zhang, J., Li, X., Graff, G. L., and Liu, J., 2014, “Manipulating surface reactions in lithium‐sulphur batteries using hybrid anode structures.,” Nat. Commun., 5, p. 3015. 

[15]  Herbert, D., and Ulam, J., 1962, “Electric dry cells and storage batteries.” 

[16]  Ji, X., and Nazar, L. F., 2010, “Advances in Li–S batteries,” J. Mater. Chem., 20(44), p. 9821. 

[17]  Choi, Y.‐J., Chung, Y.‐D., Baek, C.‐Y., Kim, K.‐W., Ahn, H.‐J., and Ahn, J.‐H., 2008, “Effects of carbon coating on the electrochemical properties of sulfur cathode for lithium/sulfur cell,” J. Power Sources, 184(2), pp. 548–552. 

[18]  Tischer, R. P., 1983, The Sulfur electrode: fused salts and solid electrolytes. 

[19]  Hovensa, “Sulphur Material Safety Data Sheet” [Online]. Available: http://www.westliberty.edu/health‐and‐safety/files/2012/08/Sulfur.pdf. [Accessed: 06‐May‐2014]. 

[20]  Mikhaylik, Y. V., Kovalev, I., Schock, R., Kumaresan, K., Xu, J., and Affinito, J., 2010, “High Energy Rechargeable Li‐S Cells for EV Application: Status, Remaining Problems and Solutions,” ECS Transactions, The Electrochemical Society, pp. 23–34. 

[21]  Unites States Advanced Battery Consortium, “USABC Goals for Advanced Batteries for EVs” [Online]. Available: file:///C:/Users/Anurag/Downloads/Goals_for_Advanced_EV_Batteries.pdf. [Accessed: 11‐May‐2014]. 

[22]  Aurbach, D., 2002, “A short review of failure mechanisms of lithium metal and lithiated graphite anodes in liquid electrolyte solutions,” Solid State Ionics, 148(3‐4), pp. 405–416. 

[23]  Ishikawa, M., and Morita, M., 2009, “Current Issues of Metallic Lithium Anode,” Lithium Batteries Science and Technology, G.A. Nazri, and G. Pistoria, eds., Springer, New York, pp. 297 – 311. 

[24]  Chu, M., Jonghe, L. De, Katz, B., and Visco, S., 2000, “Liquid electrolyte lithium‐sulfur batteries,” US Pat. 6,030,720. 

[25]  Rosso, M., Brissot, C., Teyssot, A., Dollé, M., Sannier, L., Tarascon, J.‐M., Bouchet, R., and Lascaud, S., 2006, “Dendrite short‐circuit and fuse effect on Li/polymer/Li cells,” Electrochim. Acta, 51(25), pp. 5334–5340. 

Page 64: Insights into the morphological changes undergone by the anode …765276/FULLTEXT02.pdf · 2014-11-21 · I would like to express my greatest gratitude to my parents, Madhavi and

References 

50  

[26]  Aurbach, D., Pollak, E., Elazari, R., Salitra, G., Kelley, C. S., and Affinito, J., 2009, “On the Surface Chemical Aspects of Very High Energy Density, Rechargeable Li–Sulfur Batteries,” J. Electrochem. Soc., 156(8), p. A694. 

[27]  Tarascon, J. M., and Armand, M., 2001, “Issues and challenges facing rechargeable lithium batteries.,” Nature, 414(6861), pp. 359–67. 

[28]  Mikhaylik, Y. V., and Akridge, J. R., 2004, “Polysulfide Shuttle Study in the Li/S Battery System,” J. Electrochem. Soc., 151(11), p. A1969. 

[29]  Kumaresan, K., Mikhaylik, Y., and White, R. E., 2008, “A Mathematical Model for a Lithium–Sulfur Cell,” J. Electrochem. Soc., 155(8), p. A576. 

[30]  Ryu, H. S., Guo, Z., Ahn, H. J., Cho, G. B., and Liu, H., 2009, “Investigation of discharge reaction mechanism of lithium|liquid electrolyte|sulfur battery,” J. Power Sources, 189(2), pp. 1179–1183. 

[31]  Dias, F. B., Plomp, L., and Veldhuis, J. B. J., 2000, “Trends in polymer electrolytes for secondary lithium batteries,” J. Power Sources, 88(2), pp. 169–191. 

[32]  Jeon, B. H., Yeon, J. H., Kim, K. M., and Chung, I. J., 2002, “Preparation and electrochemical properties of lithium–sulfur polymer batteries,” J. Power Sources, 109(1), pp. 89–97. 

[33]  Marmorstein, D., Yu, T. ., Striebel, K. ., McLarnon, F. ., Hou, J., and Cairns, E. ., 2000, “Electrochemical performance of lithium/sulfur cells with three different polymer electrolytes,” J. Power Sources, 89(2), pp. 219–226. 

[34]  Lacey, M. J., Edström, K., and Brandell, D., 2014, “Analysis of soluble intermediates in the lithium–sulfur battery by a simple in situ electrochemical probe,” Electrochem. commun., 46, pp. 91–93. 

[35]  Yamin, H., Penciner, J., Gorenshtain, A., Elam, M., and Peled, E., 1985, “The electrochemical behavior of polysulfides in tetrahydrofuran,” J. Power Sources, 14(1‐3), pp. 129–134. 

[36]  Zhang, S. S., 2013, “Liquid electrolyte lithium/sulfur battery: Fundamental chemistry, problems, and solutions,” J. Power Sources, 231, pp. 153–162. 

[37]  Mikhaylik, Y. V., and Akridge, J. R., 2003, “Low Temperature Performance of Li/S Batteries,” J. Electrochem. Soc., 150(3), p. A306. 

[38]  Rauh, R. D., Shuker, F. S., Marston, J. M., and Brummer, S. B., 1977, “Formation of lithium polysulfides in aprotic media,” J. Inorg. Nucl. Chem., 39(10), pp. 1761–1766. 

[39]  Mikhaylik, Y. V., and Akridge, J. R., 2004, “Polysulfide Shuttle Study in the Li/S Battery System,” J. Electrochem. Soc., 151(11), p. A1969. 

Page 65: Insights into the morphological changes undergone by the anode …765276/FULLTEXT02.pdf · 2014-11-21 · I would like to express my greatest gratitude to my parents, Madhavi and

References 

51  

[40]  Zu, C., and Manthiram, A., 2014, “Stabilized Lithium–Metal Surface in a Polysulfide‐Rich Environment of Lithium–Sulfur Batteries,” J. Phys. Chem. Lett., 5(15), pp. 2522–2527. 

[41]  Dean, J. A., 1999, “Lange’s Handbook Of Chemistry,” Lange’s Handbook Of Chemistry, McGraw Hill, New York, pp. 3 – 5. 

[42]  Zhang, S. S., and Read, J. A., 2012, “A new direction for the performance improvement of rechargeable lithium/sulfur batteries,” J. Power Sources, 200, pp. 77–82. 

[43]  Shim, J., Striebel, K. A., and Cairns, E. J., 2002, “The Lithium/Sulfur Rechargeable Cell,” J. Electrochem. Soc., 149(10), p. A1321. 

[44]  Cheon, S.‐E., Cho, J.‐H., Ko, K.‐S., Kwon, C.‐W., Chang, D.‐R., Kim, H.‐T., and Kim, S.‐W., 2002, “Structural Factors of Sulfur Cathodes with Poly(ethylene oxide) Binder for Performance of Rechargeable Lithium Sulfur Batteries,” J. Electrochem. Soc., 149(11), p. A1437. 

[45]  Choi, J.‐W., Kim, J.‐K., Cheruvally, G., Ahn, J.‐H., Ahn, H.‐J., and Kim, K.‐W., 2007, “Rechargeable lithium/sulfur battery with suitable mixed liquid electrolytes,” Electrochim. Acta, 52(5), pp. 2075–2082. 

[46]  Lacey, M. J., Jeschull, F., Edström, K., and Brandell, D., 2014, “Functional, water‐soluble binders for improved capacity and stability of lithium–sulfur batteries,” J. Power Sources, 264, pp. 8–14. 

[47]  Ji, X., Lee, K. T., and Nazar, L. F., 2009, “A highly ordered nanostructured carbon‐sulphur cathode for lithium‐sulphur batteries.,” Nat. Mater., 8(6), pp. 500–6. 

[48]  Choi, Y.‐J., Kim, K.‐W., Ahn, H.‐J., and Ahn, J.‐H., 2008, “Improvement of cycle property of sulfur electrode for lithium/sulfur battery,” J. Alloys Compd., 449(1‐2), pp. 313–316. 

[49]  Cheon, S.‐E., Ko, K.‐S., Cho, J.‐H., Kim, S.‐W., Chin, E.‐Y., and Kim, H.‐T., 2003, “Rechargeable Lithium Sulfur Battery,” J. Electrochem. Soc., 150(6), p. A796. 

[50]  Zhang, S. S., 2013, “Liquid electrolyte lithium/sulfur battery: Fundamental chemistry, problems, and solutions,” J. Power Sources, 231, pp. 153–162. 

[51]  Goodenough, J. B., and Kim, Y., 2010, “Challenges for Rechargeable Li Batteries,” Chem. Mater., 22, pp. 587–603. 

[52]  Gao, J., Lowe, M. A., Kiya, Y., and Abruña, H. D., 2011, “Effects of Liquid Electrolytes on the Charge–Discharge Performance of Rechargeable Lithium/Sulfur Batteries: Electrochemical and in‐Situ X‐ray Absorption Spectroscopic Studies,” J. Phys. Chem. C, 115(50), pp. 25132–25137. 

[53]  Kim, S., Jung, Y., and Lim, H. S., 2004, “The effect of solvent component on the discharge performance of Lithium–sulfur cell containing various organic electrolytes,” Electrochim. Acta, 50(2‐3), pp. 889–892. 

Page 66: Insights into the morphological changes undergone by the anode …765276/FULLTEXT02.pdf · 2014-11-21 · I would like to express my greatest gratitude to my parents, Madhavi and

References 

52  

[54]  Choi, J.‐W., Cheruvally, G., Kim, D.‐S., Ahn, J.‐H., Kim, K.‐W., and Ahn, H.‐J., 2008, “Rechargeable lithium/sulfur battery with liquid electrolytes containing toluene as additive,” J. Power Sources, 183(1), pp. 441–445. 

[55]  Ryu, H.‐S., Ahn, H.‐J., Kim, K.‐W., Ahn, J.‐H., Cho, K.‐K., Nam, T.‐H., Kim, J.‐U., and Cho, G.‐B., 2006, “Discharge behavior of lithium/sulfur cell with TEGDME based electrolyte at low temperature,” J. Power Sources, 163(1), pp. 201–206. 

[56]  Kim, S., Jung, Y., and Park, S.‐J., 2005, “Effects of imidazolium salts on discharge performance of rechargeable lithium–sulfur cells containing organic solvent electrolytes,” J. Power Sources, 152, pp. 272–277. 

[57]  Choi, Y. S., Kim, S., Choi, S. S., Han, J. S., Kim, J. D., Jeon, S. E., and Jung, B. H., 2004, “Effect of cathode component on the energy density of lithium–sulfur battery,” Electrochim. Acta, 50(2‐3), pp. 833–835. 

[58]  Jin, B., Kim, J.‐U., and Gu, H.‐B., 2003, “Electrochemical properties of lithium–sulfur batteries,” J. Power Sources, 117(1‐2), pp. 148–152. 

[59]  Chang, D.‐R., Lee, S.‐H., Kim, S.‐W., and Kim, H.‐T., 2002, “Binary electrolyte based on tetra(ethylene glycol) dimethyl ether and 1,3‐dioxolane for lithium–sulfur battery,” J. Power Sources, 112(2), pp. 452–460. 

[60]  RYU, H., AHN, H., KIM, K., AHN, J., LEE, J., and CAIRNS, E., 2005, “Self‐discharge of lithium–sulfur cells using stainless‐steel current‐collectors,” J. Power Sources, 140(2), pp. 365–369. 

[61]  Kanamura, K., 1997, “Chemical Reaction of Lithium Surface during Immersion in LiClO[sub 4] or LiPF[sub 6]∕DEC Electrolyte,” J. Electrochem. Soc., 144(6), p. 1900. 

[62]  Kim, H. S., Jeong, C.‐S., and Kim, Y.‐T., 2011, “Shuttle inhibitor effect of lithium perchlorate as an electrolyte salt for lithium–sulfur batteries,” J. Appl. Electrochem., 42(2), pp. 75–79. 

[63]  Mikhaylik, Y. V., 2008, “Electrolytes for lithium sulfur cells.” 

[64]  Zhang, S. S., 2012, “Role of LiNO3 in rechargeable lithium/sulfur battery,” Electrochim. Acta, 70, pp. 344–348. 

[65]  López, C. M., Vaughey, J. T., and Dees, D. W., 2009, “Morphological Transitions on Lithium Metal Anodes,” J. Electrochem. Soc., 156(9), p. A726. 

[66]  Yoshimatsu, I., 1988, “Lithium Electrode Morphology during Cycling in Lithium Cells,” J. Electrochem. Soc., 135(10), p. 2422. 

[67]  Xu, K., 2004, “Nonaqueous Liquid Electrolytes for Lithium‐Based Rechargeable Batteries,” Chem. Rev., 104(10), pp. 4303–4418. 

Page 67: Insights into the morphological changes undergone by the anode …765276/FULLTEXT02.pdf · 2014-11-21 · I would like to express my greatest gratitude to my parents, Madhavi and

References 

53  

[68]  Arakawa, M., Tobishima, S., Nemoto, Y., Ichimura, M., and Yamaki, J., 1993, “Lithium electrode cycleability and morphology dependence on current density,” J. Power Sources, 43(1‐3), pp. 27–35. 

[69]  Gireaud, L., Grugeon, S., Laruelle, S., Yrieix, B., and Tarascon, J.‐M., 2006, “Lithium metal stripping/plating mechanisms studies: A metallurgical approach,” Electrochem. commun., 8(10), pp. 1639–1649. 

[70]  Vuillemin, B., Philippe, X., Oltra, R., Vignal, V., Coudreuse, L., Dufour, L. C., and Finot, E., 2003, “SVET, AFM and AES study of pitting corrosion initiated on MnS inclusions by microinjection,” Corros. Sci., 45(6), pp. 1143–1159. 

[71]  Xu, W., Wang, J., Ding, F., Chen, X., Nasybulin, E., Zhang, Y., and Zhang, J.‐G., 2014, “Lithium metal anodes for rechargeable batteries,” Energy Environ. Sci., 7(2), p. 513. 

[72]  Chazalviel, J.‐N., 1990, “Electrochemical aspects of the generation of ramified metallic electrodeposits,” Phys. Rev. A, 42(12), pp. 7355–7367. 

[73]  Brissot, C., Rosso, M., Chazalviel, J.‐N., and Lascaud, S., 1999, Dendritic growth mechanisms in lithium/polymer cells. 

[74]  Rosso, M., Gobron, T., Brissot, C., Chazalviel, J.‐N., and Lascaud, S., 2001, “Onset of dendritic growth in lithium/polymer cells,” J. Power Sources, 97‐98, pp. 804–806. 

[75]  Teyssot, A., Belhomme, C., Bouchet, R., Rosso, M., Lascaud, S., and Armand, M., 2005, “Inter‐electrode in situ concentration cartography in lithium/polymer electrolyte/lithium cells,” J. Electroanal. Chem., 584(1), pp. 70–74. 

[76]  Brissot, C., Rosso, M., Chazalviel, J.‐N., Baudry, P., and Lascaud, S., 1998, “In situ study of dendritic growth inlithium/PEO‐salt/lithium cells,” Electrochim. Acta, 43(10‐11), pp. 1569–1574. 

[77]  Barton, J. L., and Bockris, J. O., 1962, “The Electrolytic Growth of Dendrites from Ionic Solutions,” Proc. R. Soc. A Math. Phys. Eng. Sci., 268(1335), pp. 485–505. 

[78]  Monroe, C., and Newman, J., 2003, “Dendrite Growth in Lithium/Polymer Systems,” J. Electrochem. Soc., 150(10), p. A1377. 

[79]  Jeschull, F., 2013, “Insights into the beneficial effects of poly(ethylene oxide) for lithium‐sulfur batteries,” Uppsala University. 

[80]  Cohen, Y. S., Cohen, Y., and Aurbach, D., 2000, “Micromorphological Studies of Lithium Electrodes in Alkyl Carbonate Solutions Using in Situ Atomic Force Microscopy,” J. Phys. Chem. B, 104(51), pp. 12282–12291. 

[81]  Pinson, M. B., and Bazant, M. Z., 2012, “Theory of SEI Formation in Rechargeable Batteries: Capacity Fade, Accelerated Aging and Lifetime Prediction.” 

Page 68: Insights into the morphological changes undergone by the anode …765276/FULLTEXT02.pdf · 2014-11-21 · I would like to express my greatest gratitude to my parents, Madhavi and

References 

54  

[82]  Aurbach, D., and Granot, E., 1997, “The study of electrolyte solutions based on solvents from the ‘glyme’ family (linear polyethers) for secondary Li battery systems,” Electrochim. Acta, 42(4), pp. 697–718. 

[83]  Aurbach, D., 2000, “Review of selected electrode–solution interactions which determine the performance of Li and Li ion batteries,” J. Power Sources, 89(2), pp. 206–218. 

[84]  Morigaki, K., and Ohta, A., 1998, “Analysis of the surface of lithium in organic electrolyte by atomic force microscopy, Fourier transform infrared spectroscopy and scanning auger electron microscopy,” J. Power Sources, 76(2), pp. 159–166. 

[85]  Aurbach, D., Youngman, O., and Dan, P., 1990, “The electrochemical behavior of 1,3‐dioxolane—LiClO4 solutions—II. Contaminated solutions,” Electrochim. Acta, 35(3), pp. 639–655. 

[86]  Aurbach, D., Youngman, O., Gofer, Y., and Meitav, A., 1990, “The electrochemical behaviour of 1,3‐dioxolane—LiClO4 solutions—I. Uncontaminated solutions,” Electrochim. Acta, 35(3), pp. 625–638. 

[87]  Gofer, Y., Ben‐Zion, M., and Aurbach, D., 1992, “Solutions of LiAsF6 in 1,3‐dioxolane for secondary lithium batteries,” J. Power Sources, 39(2), pp. 163–178. 

[88]  Xiong, S., Xie, K., Diao, Y., and Hong, X., 2014, “Characterization of the solid electrolyte interphase on lithium anode for preventing the shuttle mechanism in lithium–sulfur batteries,” J. Power Sources, 246, pp. 840–845. 

[89]  Hertz, H., 1887, “Ueber einen Einfluss des ultravioletten Lichtes auf die electrische Entladung,” Ann. der Phys. und Chemie, 267(8), pp. 983–1000. 

[90]  Einstein, A., 1905, “Zur Elektrodynamik bewegter Körper,” Ann. Phys., 322(10), pp. 891–921. 

[91]  Younesi, R., 2012, “Characterization of reaction products in the Li‐O2 battery using photoelectron spectroscopy,” Uppsala University. 

[92]  Högström, K. C., 2014, “The complex nature of the electrode/electrolyte interfaces in Li‐ion batteries,” Uppsala University. 

[93]  Maibach, J., 2014, “Preparation and Characterization of Solution Processed Organic Semiconductor Interfaces: Electronic Properties of Thiophene‐Fullerene based Donor‐Acceptor Systems.” 

[94]  Naumkin, A. V., Kraut‐Vass, A., Gaarenstroom, S. W., and Powell, C. J., 2012, “NIST X‐ray Photoelectron Spectroscopy (XPS) Database, Version 3.5,” Meas. Serv. Div. Natl. Inst. Stand. Technol. [Online]. Available: http://srdata.nist.gov/xps/Default.aspx. [Accessed: 18‐Jun‐2014]. 

[95]  Aurbach, D., 1989, “The Correlation Between Surface Chemistry, Surface Morphology, and Cycling Efficiency of Lithium Electrodes in a Few Polar Aprotic Systems,” J. Electrochem. Soc., 136(11), p. 3198. 

Page 69: Insights into the morphological changes undergone by the anode …765276/FULLTEXT02.pdf · 2014-11-21 · I would like to express my greatest gratitude to my parents, Madhavi and

References 

55  

[96]  Suo, L., Hu, Y.‐S., Li, H., Armand, M., and Chen, L., 2013, “A new class of Solvent‐in‐Salt electrolyte for high‐energy rechargeable metallic lithium batteries.,” Nat. Commun., 4, p. 1481. 

[97]  Okamoto, H., 1995, “The Li‐S (lithium‐sulfur) system,” J. Phase Equilibria, 16(1), pp. 94–97. 

[98]  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., and Zhang, J.‐G., 2013, “Dendrite‐free lithium deposition via self‐healing electrostatic shield mechanism.,” J. Am. Chem. Soc., 135(11), pp. 4450–6.