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Universal Chemomechanical Design Rules for Solid-Ion Conductors to Prevent Dendrite Formation in Lithium Metal Batteries

锂(药物) 化学工程 电解质 离子 电池(电) 电极 金属 金属锂 集电器 电化学 锂离子电池 纳米技术 快离子导体
作者
Chengyin Fu,Victor Venturi,Zeeshan Ahmad,Andrew W. Ells,Venkatasubramanian Viswanathan,Brett A. Helms
出处
期刊:arXiv: Materials Science 被引量:46
标识
DOI:10.1038/s41563-020-0655-2
摘要

Dendrite formation during electrodeposition while charging lithium metal batteries compromises their safety. While high shear modulus solid-ion conductors (SICs) have been prioritized to resolve pressure-driven instabilities that lead to dendrite propagation and cell shorting, it is unclear whether these or alternatives are needed to guide uniform lithium electrodeposition, which is intrinsically density-driven. Here, we show that SICs can be designed within a universal chemomechanical paradigm to access either pressure-driven dendrite-blocking or density-driven dendrite-suppressing properties, but not both. This dichotomy reflects the competing influence of the SICs mechanical properties and partial molar volume of Li+ relative to those of the lithium anode on plating outcomes. Within this paradigm, we explore SICs in a previously unrecognized dendrite-suppressing regime that are concomitantly soft, as is typical of polymer electrolytes, but feature atypically low Li+ partial molar volume, more reminiscent of hard ceramics. Li plating mediated by these SICs is uniform, as revealed using synchrotron hard x-ray microtomography. As a result, cell cycle-life is extended, even when assembled with thin Li anodes and high-voltage NMC-622 cathodes, where 20 percent of the Li inventory is reversibly cycled.
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