Robust Transport: An Artificial Solid Electrolyte Interphase Design for Anode‐Free Lithium‐Metal Batteries

材料科学 离子电导率 阳极 韧性 电解质 复合材料 锂(药物) 电导率 断裂韧性 化学工程 电极 医学 工程类 内分泌学 物理化学 化学
作者
Jinran Sun,Shu Zhang,Jiedong Li,Bin Xie,Jun Ma,Shanmu Dong,Guanglei Cui
出处
期刊:Advanced Materials [Wiley]
卷期号:35 (20): e2209404-e2209404 被引量:141
标识
DOI:10.1002/adma.202209404
摘要

One of the most challenging issues in the practical implementation of high-energy-density anode-free lithium-metal batteries (AFLMBs) is the sharp capacity attenuation caused by the mechanical degradation of the solid electrolyte interphase (SEI). However, developing an artificial SEI to address this issue remains a challenge due to the trade-off between ionic conductivity and mechanical robustness for general ionic conducting films. In this study, a tenacious composite artificial SEI with integrated heterostructure of lithium fluoride (LiF) and lithium phosphorus oxynitride (LiPON) is prepared using a co-sputtering approach to achieve both high ionic conductivity and fracture toughness. The embedded LiF domain has an extremely high Young's modulus and surface energy compared with those of bulk LiPON film, enabling a significant increase in fracture toughness by an order of magnitude. Most importantly, the interface between LiPON and LiF in the integrated structure generates additional fast Li+ -transport pathways, providing the artificial SEI with a conductivity higher than 10-6 S cm-1 . Consequently, the artificial SEI implementation significantly increases the cycling lifetime of the corresponding AFLMBs by >250%. This study highlights the importance of fracture toughness for the structural integrity of batteries and provides suggestions for designing viable SEI materials for high-performance AFLMBs.
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