In Situ Investigation of Chemomechanical Effects in Thiophosphate Solid Electrolytes

硫代磷酸盐 原位 电解质 材料科学 化学 物理化学 电极 有机化学
作者
Marm Dixit,Nikhilendra Singh,James P. Horwath,Pavel Shevchenko,Michael D. Jones,Eric A. Stach,Timothy S. Arthur,Kelsey B. Hatzell
出处
期刊:Matter [Elsevier BV]
卷期号:3 (6): 2138-2159 被引量:88
标识
DOI:10.1016/j.matt.2020.09.018
摘要

Summary Solid-state batteries can suffer from catastrophic failure at high current densities due to solid electrolyte fracture, interface decomposition, or lithium filament growth. Failure is linked to chemomechanical material transformations that can manifest during electrochemical cycling. We systematically investigate how solid electrolyte microstructure and interfacial decomposition (e.g., interphase) affect failure mechanisms in lithium thiophosphates (Li3PS4, LPS) electrolytes. Kinetically metastable interphases are engineered with iodine doping, and microstructural control is achieved using milling and annealing processing techniques. In situ transmission electron microscopy reveals iodine diffusion to the interphase, and upon electrochemical cycling, pores are formed in the interphase region. In situ synchrotron tomography reveals that interphase pore formation drives edge fracture events, which are the origin of through-plane fracture failure. Fractures in thiophosphate electrolytes actively grow toward regions of higher porosity and are affected by heterogeneity in microstructure (e.g., porosity factor). This work provides fundamental design guidelines for high-performance solid-state batteries.
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