Dendriteninitiierung und -ausbreitung in einem Lithiummetallfeststoff

Nature Band 618, Seiten 287–293 (2023)Diesen Artikel zitieren

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Festkörperbatterien mit einer Li-Anode und einem Keramikelektrolyten haben das Potenzial, im Vergleich zu heutigen Li-Ionen-Batterien eine deutliche Leistungssteigerung zu bewirken1,2. Allerdings bilden sich beim Laden mit praktischer Geschwindigkeit Li-Dendriten (Filamente), die in den Keramikelektrolyten eindringen und zu Kurzschlüssen und Zellversagen führen3,4. Frühere Modelle der Dendritenpenetration konzentrierten sich im Allgemeinen auf einen einzigen Prozess zur Dendriteninitiierung und -ausbreitung, wobei Li den Riss an seiner Spitze antreibt5,6,7,8,9. Hier zeigen wir, dass Initiierung und Ausbreitung getrennte Prozesse sind. Die Initiierung erfolgt durch Li-Ablagerung in Poren unter der Oberfläche mittels Mikrorissen, die die Poren mit der Oberfläche verbinden. Sobald das Material gefüllt ist, baut sich durch weitere Aufladung ein Druck in den Poren auf, da Li langsam an die Oberfläche extrudiert wird (viskoplastischer Fluss), was zu Rissen führt. Im Gegensatz dazu erfolgt die Dendritenausbreitung durch Keilöffnung, wobei Li den trockenen Riss von hinten und nicht von der Spitze her vorantreibt. Während die Initiierung durch die lokale (mikroskopische) Bruchfestigkeit an den Korngrenzen, die Porengröße, die Porenpopulationsdichte und die Stromdichte bestimmt wird, hängt die Ausbreitung von der (makroskopischen) Bruchzähigkeit der Keramik, der Länge des Li-Dendriten (Filaments) ab. die teilweise den Trockenriss, die Stromdichte, den Stapeldruck und die während jedes Zyklus abgerufene Ladungskapazität einnimmt. Niedrigere Stapeldrücke unterdrücken die Ausbreitung und verlängern die Anzahl der Zyklen bis zum Kurzschluss in Zellen, in denen Dendriten entstanden sind, deutlich.

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PGB ist der Faraday Institution SOLBAT (FIRG007, FIRG008, FIRG026) sowie dem Engineering and Physical Sciences Research Council, Enabling Next Generation Lithium Batteries (EP/M009521/1), dem Upgrade der experimentellen Ausrüstung der University of Oxford (EP/ M02833X/1) und das Henry Royce Institute for Advanced Materials (EP/R0066X/1, EP/S019367/1, EP/R010145/1) für finanzielle Unterstützung. Wir danken der Diamond Light Source für die Bereitstellung von Synchrotronstrahlungsstrahlzeit (Experiment Nr. MG23980-1) an der I13-2-Strahllinie der Diamond Light Source. Wir danken AJ Bodey für die technische und experimentelle Unterstützung an der I13-2-Beamline.

Diese Autoren haben gleichermaßen beigetragen: Ziyang Ning, Guanchen Li, Dominic LR Melvin

Abteilung für Materialien, Universität Oxford, Oxford, Großbritannien

Ziyang Ning, Dominic LR Melvin, Yang Chen, Junfu Bu, Dominic Spencer-Jolly, Junliang Liu, Bingkun Hu, Xiangwen Gao, Johann Perera, Chen Gong, Shengda D. Pu, Shengming Zhang, Boyang Liu, Gareth O. Hartley, Richard I. Todd, Patrick S. Grant, David EJ Armstrong, T. James Marrow und Peter G. Bruce

Fujian Science & Technology Innovation Laboratory for Energy Devices (21C Lab), Ningde, China

Ziyang Ning

Fakultät für Ingenieurwissenschaften, Universität Oxford, Oxford, Großbritannien

Guanchen Li & Charles W. Monroe

James Watt School of Engineering, University of Glasgow, Glasgow, Großbritannien

Guanchen Li

Die Faraday Institution, Harwell Campus, Didcot, Großbritannien

Guanchen Li, Dominic LR Melvin, Junfu Bu, Dominic Spencer-Jolly, Xiangwen Gao, Boyang Liu, Gareth O. Hartley, Patrick S. Grant, David EJ Armstrong, Charles W. Monroe und Peter G. Bruce

Fakultät für Maschinenbau, University of Bath, Bath, Großbritannien

Yang Chen

Diamond Light Source, Harwell Campus, Didcot, Großbritannien

Andrew J. Bodey

Fachbereich Chemie, Universität Oxford, Oxford, Großbritannien

Peter G. Bruce

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ZN, GL und DLRM trugen zu allen Aspekten der Forschung bei. ZN, DLRM, DS-J., SDP, GOH und AJB führten das Operando-Synchrotron-XCT durch. ZN und DLRM führten die Vorbereitung der Elektrolytscheiben und den Zellaufbau durch. ZN, DLRM, CG und XG führten die Online-Massenspektrometrie durch. ZN, DLRM, BH, BL und JB führten die Plasma-FIB-Bildgebung durch. DLRM und JB führten eine Plasma-FIB-Bildgebung mit SIMS durch. ZN, DLRM, JP, JL und DEJA führten die Vorbereitung von Mikrocantilever- und mechanischen Tests durch. GL, YC und CWM führten die Modellierung durch. ZN, GL, DLRM, DS-J., RIT, PSG, DEJA, TJM, CWM und PGB diskutierten die Daten. Alle Autoren trugen zur Interpretation der Daten bei. ZN, DLRM, GL, CWM und PGB haben das Manuskript geschrieben, mit Beiträgen und Überarbeitungen aller Autoren. Das Projekt wurde von CWM, TJM und PGB betreut

Korrespondenz mit T. James Marrow, Charles W. Monroe oder Peter G. Bruce.

Die Autoren geben an, dass keine Interessenkonflikte bestehen.

Nature dankt Kelsey Hatzell, Chen-Zi Zhao und den anderen, anonymen Gutachtern für ihren Beitrag zum Peer-Review dieser Arbeit.

Anmerkung des Herausgebers Springer Nature bleibt hinsichtlich der Zuständigkeitsansprüche in veröffentlichten Karten und institutionellen Zugehörigkeiten neutral.

Diese Datei enthält Einzelheiten zur Modellierung der Dendriteninitiierung und -ausbreitung sowie ergänzende Abbildungen. 1–21 und Ergänzungstabellen 1–3.

Operando XCT-Bildgebung, die die Entwicklung eines Dendritenrisses von der Entstehung über die Ausbreitung bis zum Kurzschluss zeigt.

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Nachdrucke und Genehmigungen

Ning, Z., Li, G., Melvin, DLR et al. Dendriteninitiierung und -ausbreitung in Lithium-Metall-Festkörperbatterien. Natur 618, 287–293 (2023). https://doi.org/10.1038/s41586-023-05970-4

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Eingegangen: 02. Oktober 2022

Angenommen: 17. März 2023

Veröffentlicht: 07. Juni 2023

Ausgabedatum: 08. Juni 2023

DOI: https://doi.org/10.1038/s41586-023-05970-4

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