Mesoscale Interrogation Reveals Mechanistic Origins of Lithium Filaments along Grain Boundaries in Inorganic Solid Electrolytes

材料科学 晶界 阳极 电极 电解质 快离子导体 脆性 渗透(战争) 复合材料 锂(药物) 电化学 纳米技术 微观结构 工程类 内分泌学 物理化学 医学 化学 运筹学
作者
Bairav S. Vishnugopi,Marm Dixit,Feng Hao,Badri Shyam,John B. Cook,Kelsey B. Hatzell,Partha P. Mukherjee
出处
期刊:Advanced Energy Materials [Wiley]
卷期号:12 (3) 被引量:56
标识
DOI:10.1002/aenm.202102825
摘要

Abstract Solid‐state batteries (SSBs), utilizing a lithium metal anode, promise to deliver enhanced energy and power densities compared to conventional lithium‐ion batteries. Penetration of lithium filaments through the solid‐state electrolytes (SSEs) during electrodeposition poses major constraints on the safety and rate performance of SSBs. While microstructural attributes, especially grain boundaries (GBs) within the SSEs are considered preferential metal propagation pathways, the underlying mechanisms are not fully understood yet. Here, a comprehensive insight is presented into the mechanistic interactions at the mesoscale including the electrochemical‐mechanical response of the GB‐electrode junction and competing ion transport dynamics in the SSE. Depending on the GB transport characteristics, a highly non‐uniform electrodeposition morphology consisting of either cavities or protrusions at the GB‐electrode interface is identified. Mechanical stability analysis reveals localized strain ramps in the GB regions that can lead to brittle fracture of the SSE. For ionically less conductive GBs compared to the grains, a crack formation and void filling mechanism, triggered by the heterogeneous nature of electrochemical‐mechanical interactions is delineated at the GB‐electrode junction. Concurrently, in situ X‐ray tomography of pristine and failed Li 7 La 3 Zr 2 O 12 (LLZO) SSE samples confirm the presence of filamentous lithium penetration and validity of the proposed mesoscale failure mechanisms.
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