Solid Electrolyte Bimodal Grain Structures for Improved Cycling Performance

材料科学 微观结构 电解质 曲折 粒度 陶瓷 微晶 快离子导体 化学工程 多孔性 晶粒生长 晶界 枝晶(数学) 复合材料 冶金 电极 化学 物理化学 工程类 几何学 数学
作者
Zhanhui Jia,Hao Shen,Jiawei Kou,Tianyi Zhang,Zhen Wang,Wei Tang,Marca M. Doeff,Ching‐Yu Chiang,Kai Chen
出处
期刊:Advanced Materials [Wiley]
卷期号:36 (18) 被引量:14
标识
DOI:10.1002/adma.202309019
摘要

Abstract The application of solid‐state electrolytes in Li batteries is hampered by the occurrence of Li‐dendrite‐caused short circuits. To avoid cell failure, the electrolytes can only be stressed with rather low current densities, severely restricting their performance. As grain size and pore distributions significantly affect dendrite growth in ceramic electrolytes such as Li 7 La 3 Zr 2 O 12 and its variants; here, a “detour and buffer” strategy to bring the superiority of both coarse and fine grains into play, is proposed. To validate the mechanism, a coarse/fine bimodal grain microstructure is obtained by seeding unpulverized large particles in the green body. The rearrangement of coarse grains and fine pores is fine‐tuned by changing the ratio of pulverized and unpulverized powders. The optimized bimodal microstructure, obtained when the two powders are equally mixed, allows, without extra interface decoration, cycling for over 2000 h as the current density is increased from 1.0 mA·cm −2 , and gradually, up to 2.0 mA·cm −2 . The “detour and buffer” effects are confirmed from postmortem analysis. The complex grain boundaries formed by fine grains discourage the direct infiltration of Li. Simultaneously, the coarse grains further increase the tortuosity of the Li path. This study sheds light on the microstructure optimization for the polycrystalline solid‐state electrolytes.
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