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The Key Role of Grain Boundary Dynamics in Revolutionizing the Potential of Solid Electrolytes

材料科学 晶界 离子电导率 微晶 电解质 离子键合 快离子导体 粒度 锂(药物) 纳米技术 金属 化学工程 离子 冶金 物理化学 微观结构 电极 化学 内分泌学 工程类 物理 医学 量子力学
作者
Yangyang Wang,Charlotte Thomas,Kaitlin Garman,Hwangsun Kim,Zonghai Chen,Miaofang Chi,Chunmei Ban
出处
期刊:Advanced Functional Materials [Wiley]
卷期号:34 (45) 被引量:24
标识
DOI:10.1002/adfm.202404434
摘要

Abstract Solid electrolytes (SEs) have the potential to enhance the safety and performance of Li‐metal batteries. However, the existence of grain boundaries in polycrystalline SEs presents a significant challenge for both ionic and electronic migration, promoting the propagation of detrimental lithium dendrites. This study compares the roles of grain boundaries in electrical properties of three distinct SEs including garnet‐type Li 6.5 La 3 Zr 1.5 Ta 0.5 O 12 (LLZO), argyrodite‐type Li 6 PS 5 Cl (LPSC), and NASICON‐type Li 1+ x + y Al x (Ti,Ge) 2‐ x Si y P 3‐ y O 12 (LATP). Results demonstrate that the electronic and ionic conductivities of solid‐state electrolytes are affected differently by grain boundaries, depending on the specific type of electrolyte. For instance, LLZO and LATP experience dielectric breakdown at 3.7 and 5.3 V, respectively, while LPSC does not exhibit such behavior. Here, a new chemical modification is proposed that simultaneously alters the composition of both the surface and grain boundaries of SEs, ultimately reducing electronic conductivity for the LLZO SEs. Consequently, the proposed LLZO exhibits unprecedented dendrite‐free cycling stability, achieving a remarkable 12 000‐h lifetime at room temperature, surpassing conventional strategies such as surface coatings in dendrite mitigation. This study highlights the significance of modifying grain boundaries to design safe and durable Li‐metal batteries. It provides new insights for developing SEs that are highly resistant to dendrite formation.
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