The Microscopic Mechanism of Lithiation and Delithiation in the Ag/C Buffer Layer for Anode‐Free Solid‐State Batteries

材料科学 阳极 过电位 电解质 复合数 化学工程 金属 集电器 纳米技术 复合材料 电化学 冶金 物理化学 电极 化学 工程类
作者
Fengyu Xie,Mouhamad S. Diallo,Haegyeom Kim,Qingsong Tu,Gerbrand Ceder
出处
期刊:Advanced Energy Materials [Wiley]
卷期号:14 (10) 被引量:15
标识
DOI:10.1002/aenm.202302960
摘要

Abstract Lithium metal solid‐state batteries (LMSSBs) have demonstrated their high energy density and cycling performance at high current densities in an anode‐free architecture, featuring a thin Ag/C composite buffer layer (BL) between the current collector (CC) and the solid electrolyte (SE). This study explains the microscopic mechanism of the Ag/C BL by using first‐principles atomistic and continuum modeling. It is shown that Ag effectively acts as a homogeneous solid‐solution beyond AgLi 2.32 and maintains a positive potential even at AgLi 25 during lithiation. Key factors underlying the working of the Ag/C BL include lower interfacial resistance at the BL/CC interface than at the BL/SE interface, leading to predominant Li deposition on BL/CC, and substantial Ag–Li volume expansion during lithiation. This, combined with stronger BL/SE adhesion, causes BL/SE separation and Ag–Li extrusion toward the CC side. During delithiation, Ag re‐precipitates as nanoparticles uniformly on the CC, with its positive lithiation potential homogenizing Li currents in subsequent cycles. Other metals are less effective due to their relatively large overpotential, premature lithiation termination, and limited volume expansions hindering movement toward the CC. The study aids the BL design, focusing on metal choice and optimization material and microstructural properties, such as the Li‐ion conductivity and interfacial resistance.
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