Local electronic structure variation resulting in Li ‘filament’ formation within solid electrolytes

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作者
Xiaoming Liu,Regina García-Méndez,Andrew R. Lupini,Yongqiang Cheng,Zachary D. Hood,Fudong Han,Asma Sharafi,Juan Carlos Idrobo,Nancy J. Dudney,Chunsheng Wang,Cheng Ma,Jeff Sakamoto,Miaofang Chi
出处
期刊:Nature Materials [Nature Portfolio]
卷期号:20 (11): 1485-1490 被引量:443
标识
DOI:10.1038/s41563-021-01019-x
摘要

Solid electrolytes hold great promise for enabling the use of Li metal anodes. The main problem is that during cycling, Li can infiltrate along grain boundaries and cause short circuits, resulting in potentially catastrophic battery failure. At present, this phenomenon is not well understood. Here, through electron microscopy measurements on a representative system, Li7La3Zr2O12, we discover that Li infiltration in solid oxide electrolytes is strongly associated with local electronic band structure. About half of the Li7La3Zr2O12 grain boundaries were found to have a reduced bandgap, around 1–3 eV, making them potential channels for leakage current. Instead of combining with electrons at the cathode, Li+ ions are hence prematurely reduced by electrons at grain boundaries, forming local Li filaments. The eventual interconnection of these filaments results in a short circuit. Our discovery reveals that the grain-boundary electronic conductivity must be a primary concern for optimization in future solid-state battery design. Solid electrolytes are promising for enabling the use of Li metal anodes but Li infiltration along grain boundaries can lead to battery failure. Li infiltration in a model solid oxide electrolyte is now found to be strongly associated with local electronic band structure.
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