Controlling dendrite propagation in solid-state batteries with engineered stress

材料科学 枝晶(数学) 阳极 电解质 复合材料 偏转(物理) 结构工程 电极 工程类 化学 几何学 数学 光学 物理 物理化学
作者
Cole D. Fincher,Christos E. Athanasiou,Colin Gilgenbach,Michael J. Wang,Brian W. Sheldon,W. Craig Carter,Yet‐Ming Chiang
出处
期刊:Joule [Elsevier BV]
卷期号:6 (12): 2794-2809 被引量:160
标识
DOI:10.1016/j.joule.2022.10.011
摘要

Metal-dendrite penetration is a mode of electrolyte failure that threatens the viability of metal-anode-based solid-state batteries. Whether dendrites are driven by mechanical failure or electrochemical degradation of solid electrolytes remains an open question. If internal mechanical forces drive failure, superimposing a compressive load that counters internal stress may mitigate dendrite penetration. Here, we investigate this hypothesis by dynamically applying mechanical loads to growing dendrites in Li6.6La3Zr1.6Ta0.4O12 solid electrolytes. Operando microscopy reveals marked deflection in the dendrite growth trajectory at the onset of compressive loading. For sufficient loading, this deflection averts cell failure. Using fracture mechanics, we quantify the impact of stack pressure and in-plane stresses on dendrite trajectory, chart the residual stresses required to prevent short-circuit failure, and propose design approaches to achieve such stresses. For the materials studied here, we show that dendrite propagation is dictated by electrolyte fracture, with electronic leakage playing a negligible role.
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