Inhibiting Formation and Reduction of Li2CO3 to LiCx at Grain Boundaries in Garnet Electrolytes to Prevent Li Penetration

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作者
Jie Biao,Bing Han,Yidan Cao,Qidong Li,Guiming Zhong,Jiabin Ma,Likun Chen,Ke Yang,Jinshuo Mi,Yonghong Deng,Ming Liu,Wei Lv,Feiyu Kang,Yan‐Bing He
出处
期刊:Advanced Materials [Wiley]
卷期号:35 (12) 被引量:70
标识
DOI:10.1002/adma.202208951
摘要

Poor ion and high electron transport at the grain boundaries (GBs) of ceramic electrolytes are the primary reasons for lithium filament infiltration and short-circuiting of all-solid-state lithium metal batteries (ASLMBs). Herein, it is discovered that Li2 CO3 at the GBs of Li7 La3 Zr2 O12 (LLZO) sheets is reduced to highly electron-conductive LiCx during cycling, resulting in lithium penetration of LLZO. The ionic and electronic conductivity of the GBs within LLZO can be simultaneously tuned using sintered Li3 AlF6 . The generated LiAlO2 (LAO) infusion and F-doping at the GBs of LLZO (LAO-LLZOF) significantly reduce the Li2 CO3 content and broaden the energy bandgap of LLZO, which decreases the electronic conductivity of LAO-LLZOF. LAO forms a 3D continuous ion transport network at the GB that significantly improves the total ionic conductivity. Lithium penetration within LLZO is suppressed and an all-solid-state LiFePO4 /LAO-LLZOF/Li battery stably cycled for 5500 cycles at 3 C. This work reveals the chemistry of Li2 CO3 at the LLZO GBs during cycling, presents a novel lithium penetration mechanism within garnet electrolytes, and provides an innovative method to simultaneously regulate the ion and electron transport at the GBs in garnet electrodes for advanced ASLMBs.
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