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Negating interfacial impedance in garnet-based solid-state Li metal batteries

材料科学 电解质 阳极 氧化物 离子电导率 润湿 电导率 电化学 阴极 电润湿 电极 化学工程 锂(药物) 复合材料 冶金 光电子学 化学 内分泌学 电介质 物理化学 工程类 医学
作者
Xiaogang Han,Yunhui Gong,Kun Fu,Xingfeng He,Gregory T. Hitz,Jiaqi Dai,Alex Pearse,Boyang Liu,Howard Wang,Gary W. Rubloff,Yifei Mo,Venkataraman Thangadurai,Eric D. Wachsman,Liangbing Hu
出处
期刊:Nature Materials [Nature Portfolio]
卷期号:16 (5): 572-579 被引量:1867
标识
DOI:10.1038/nmat4821
摘要

Garnet-type solid-state electrolytes have attracted extensive attention due to their high ionic conductivity, approaching 1 mS cm−1, excellent environmental stability, and wide electrochemical stability window, from lithium metal to ∼6 V. However, to date, there has been little success in the development of high-performance solid-state batteries using these exceptional materials, the major challenge being the high solid–solid interfacial impedance between the garnet electrolyte and electrode materials. In this work, we effectively address the large interfacial impedance between a lithium metal anode and the garnet electrolyte using ultrathin aluminium oxide (Al2O3) by atomic layer deposition. Li7La2.75Ca0.25Zr1.75Nb0.25O12 (LLCZN) is the garnet composition of choice in this work due to its reduced sintering temperature and increased lithium ion conductivity. A significant decrease of interfacial impedance, from 1,710 Ω cm2 to 1 Ω cm2, was observed at room temperature, effectively negating the lithium metal/garnet interfacial impedance. Experimental and computational results reveal that the oxide coating enables wetting of metallic lithium in contact with the garnet electrolyte surface and the lithiated-alumina interface allows effective lithium ion transport between the lithium metal anode and garnet electrolyte. We also demonstrate a working cell with a lithium metal anode, garnet electrolyte and a high-voltage cathode by applying the newly developed interface chemistry. Garnet-type electrolytes are attractive for lithium metal batteries due to their high ionic conductivity. A strategy to decrease interfacial impedance between a lithium metal anode and garnet electrolyte is found promising for all-solid-state batteries.
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