Effect of solid-electrolyte pellet density on failure of solid-state batteries

材料科学 分析化学(期刊) 化学 色谱法
作者
Mouhamad S. Diallo,T. Shi,Yaqian Zhang,Xiaoyuan Peng,Imtiaz Ahmed Shozib,Yan Wang,Lincoln J. Miara,Mary Scott,Qingsong Tu,Gerbrand Ceder
出处
期刊:Nature Communications [Springer Nature]
卷期号:15 (1) 被引量:2
标识
DOI:10.1038/s41467-024-45030-7
摘要

Abstract Despite the potentially higher energy density and improved safety of solid-state batteries (SSBs) relative to Li-ion batteries, failure due to Li-filament penetration of the solid electrolyte and subsequent short circuit remains a critical issue. Herein, we show that Li-filament growth is suppressed in solid-electrolyte pellets with a relative density beyond ~95%. Below this threshold value, however, the battery shorts more easily as the density increases due to faster Li-filament growth within the percolating pores in the pellet. The microstructural properties (e.g., pore size, connectivity, porosity, and tortuosity) of $$75\%{{{{{\rm{L}}}}}}{{{{{{\rm{i}}}}}}}_{2}{{{{{\rm{S}}}}}}-25\%{{{{{{\rm{P}}}}}}}_{2}{{{{{{\rm{S}}}}}}}_{5}$$ 75 % L i 2 S 25 % P 2 S 5 with various relative densities are quantified using focused ion beam–scanning electron microscopy tomography and permeability tests. Furthermore, modeling results provide details on the Li-filament growth inside pores ranging from 0.2 to 2 μm in size. Our findings improve the understanding of the failure modes of SSBs and provide guidelines for the design of dendrite-free SSBs.
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