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Li+ concentration and morphological changes at the anode and cathode interphases inside solid-state lithium metal batteries

金属锂 阳极 阴极 锂(药物) 固态 材料科学 金属 分析化学(期刊) 放射化学 化学 冶金 电极 环境化学 物理化学 医学 内分泌学
作者
Chun Huang,Matthew D. Wilson,B. D. Cline,Abeiram Sivarajah,Wiebe Stolp,Matthieu Boone,Thomas Connolley,Chu Lun Alex Leung
出处
期刊:JPhys energy [IOP Publishing]
被引量:5
标识
DOI:10.1088/2515-7655/adafda
摘要

Abstract Irregular Li heterostructure growth at the interphase between solid electrolyte and anode reduces solid-state Li metal battery (SSLMB) performance, but the fundamental cause is still elusive. Measuring and imaging Li + ion diffusion in operando inside an SSLMB using a commercially standard cell configuration are extremely challenging because the ultra-light Li element exhibits a minute signal-to-noise ratio using most X-ray-related characterisation methods, and the weak X-ray signals of Li + are buried by strong signals of other heavy transition metal elements in the cathode and battery enclosure. Here, we pioneer novel operando correlative imaging of coupling X-ray Compton scattering with computed tomography (XCS-CT) that is able to quantify the interplay between spatially resolved Li + ion diffusion kinetics and Li 0 metal structures growth at the interphases of both anode and cathode sides inside a full cell SSLMB using solid polymer electrolyte (SPE) and commercially standard cell configuration during (dis)charging. We show a 61% increase in the efficiency of extracting Li + ions from the cathode LiNi 0.6 Mn 0.2 Co 0.2 O 2 to the anode during charging at 0.1 C than at 1 C due to restricted Li + ion diffusion at the higher rate inside SSLMB. However, this led to the formation of more irregular interfacial morphology, not only Li 0 dendrites, but also sub-surface pore formation at the anode/SPE interphase. We find the irregular Li 0 structure initiation and growth are accelerated during the first Li stripping step, not the Li plating step, and the root cause is the onset imbalance of Li + ion diffusion and redox reactions between the anode and cathode. These insights highlight the benefits of asymmetric charging and discharging rates as a promising solution to improving SSLMB performance with SPEs. The operando correlative XCS-CT imaging technique has the potential for studying the relationship between active ion concentrations and buried morphological changes for a variety of battery chemistries.
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