Dendriteninitiierung und -ausbreitung in einem Lithiummetallfeststoff

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

72 Altmetrisch

Details zu den Metriken

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.

Dies ist eine Vorschau der Abonnementinhalte, Zugriff über Ihre Institution

Greifen Sie auf Nature und 54 weitere Nature Portfolio-Zeitschriften zu

Holen Sie sich Nature+, unser preisgünstigstes Online-Zugangsabonnement

29,99 $ / 30 Tage

jederzeit kündigen

Abonnieren Sie diese Zeitschrift

Erhalten Sie 51 gedruckte Ausgaben und Online-Zugriff

199,00 $ pro Jahr

nur 3,90 $ pro Ausgabe

Leihen oder kaufen Sie diesen Artikel

Holen Sie sich diesen Artikel nur so lange, wie Sie ihn benötigen

39,95 $

Die Preise können örtlicher Steuern unterliegen, die beim Bezahlvorgang berechnet werden

Die im Rahmen dieser Studie generierten und/oder analysierten Datensätze sind auf begründete Anfrage beim entsprechenden Autor erhältlich.

Der während dieser Studie generierte und verwendete Computercode ist auf begründete Anfrage beim entsprechenden Autor erhältlich.

Janek, J. & Zeier, WG Eine solide Zukunft für die Batterieentwicklung. Nat. Energie 1, 16141 (2016).

Artikel ADS Google Scholar

Famprikis, T., Canepa, P., Dawson, JA, Islam, MS & Masquelier, C. Grundlagen anorganischer Festkörperelektrolyte für Batterien. Nat. Mater. 18, 1278–1291 (2019).

Artikel ADS CAS PubMed Google Scholar

Ning, Z. et al. Visualisierung von plattierungsbedingten Rissen in Festelektrolytzellen mit Lithiumanode. Nat. Mater. 20, 1121–1129 (2021).

Artikel ADS CAS PubMed Google Scholar

Kasemchainan, J. et al. Ein kritischer Strippstrom führt zur Dendritenbildung beim Galvanisieren in Festelektrolytzellen mit Lithiumanode. Nat. Mater. 18, 1105–1111 (2019).

Artikel ADS CAS PubMed Google Scholar

Feldman, LA & De Jonghe, LC Einleitung des Mode-I-Abbaus in Natrium-Beta-Aluminiumoxid-Elektrolyten. J. Mater. Wissenschaft. 17, 517–524 (1982).

Artikel ADS CAS Google Scholar

Porz, L. et al. Mechanismus der Penetration von Lithiummetall durch anorganische Festelektrolyte. Adv. Energie Mater. 7, 1701003 (2017).

Artikel Google Scholar

Bucci, G. & Christensen, J. Modellierung der elektrochemischen Abscheidung von Lithium an der Grenzfläche zwischen Lithium und Keramikelektrolyt: die Rolle des Grenzflächenwiderstands und von Oberflächendefekten. J. Power Sources 441, 227186 (2019).

Artikel CAS Google Scholar

Klinsmann, M., Hildebrand, FE, Ganser, M. & McMeeking, RM Dendritische Rissbildung in Festelektrolyten durch Lithiuminsertion. J. Power Sources 442, 227226 (2019).

Artikel CAS Google Scholar

Barroso-Luque, L., Tu, Q. & Ceder, G. Eine Analyse des durch galvanische Festkörperabscheidung induzierten Metallplastikflusses und Vorhersagen von Spannungszuständen in festen Ionenleiterdefekten. J. Elektrochem. Soc. 167, 20534 (2020).

Artikel CAS Google Scholar

Zhou, L. et al. 4-V-Keramik-Festkörper-Lithium-Ionen-Batterien mit hoher Flächenkapazität und langer Lebensdauer, aktiviert durch Chlorid-Festelektrolyte. Nat. Energie 7, 83–93 (2022).

Artikel ADS CAS Google Scholar

Koç, T., Marchini, F., Rousse, G., Dugas, R. & Tarascon, J.-M. Auf der Suche nach der besten Festelektrolyt-Schichtoxidpaarung für den Zusammenbau praktischer Festkörperbatterien. ACS-Appl. Energie Mater. 4, 13575–13585 (2021).

Artikel Google Scholar

Liang, J. et al. Eine Serie ternärer Metallchlorid-Superionenleiter für Hochleistungs-Festkörper-Lithiumbatterien. Adv. Energie Mater. 12, 2103921 (2022).

Artikel CAS Google Scholar

Tu, Q., Shi, T., Chakravarthy, S. & Ceder, G. Verständnis der Metallausbreitung in Festelektrolyten aufgrund gemischter ionisch-elektronischer Leitung. Angelegenheit 4, 3248–3268 (2021).

Artikel CAS Google Scholar

Kazyak, E. et al. Li-Penetration in keramischen Festelektrolyten: Operando-Mikroskopie-Analyse von Morphologie, Ausbreitung und Reversibilität. Materie 2, 1025–1048 (2020).

Artikel Google Scholar

Scharf, J. et al. Verknüpfung von Röntgentomographie im Nano- und Mikromaßstab für die Batterieforschung durch Nutzung künstlicher Intelligenz. Nat. Nanotechnologie. 17, 446–459 (2022).

Artikel ADS CAS PubMed Google Scholar

De Jonghe, LC, Feldman, L. & Beuchele, A. Langsamer Abbau und Elektronenleitung in Natrium/Beta-Aluminiumoxiden. J. Mater. Wissenschaft. 16, 780–786 (1981).

Artikel ADS Google Scholar

Han, F. et al. Hohe elektronische Leitfähigkeit als Ursache für die Bildung von Lithiumdendriten in Festelektrolyten. Nat. Energie 4, 187–196 (2019).

Artikel ADS CAS Google Scholar

Masias, A., Felten, N., Garcia-Mendez, R., Wolfenstine, J. & Sakamoto, J. Elastische, plastische und kriechmechanische Eigenschaften von Lithiummetall. J. Mater. Wissenschaft. 54, 2585–2600 (2019).

Artikel ADS CAS Google Scholar

Sedlatschek, T. et al. Plastizität bei großer Verformung und Bruchverhalten von reinem Lithium unter verschiedenen Spannungszuständen. Acta Mater. 208, 116730 (2021).

Artikel CAS Google Scholar

Doltsinis, I. & Dattke, R. Modellierung der Schädigung poröser Keramik unter Innendruck. Berechnen. Methoden Appl. Mech. Ing. 191, 29–46 (2001).

Artikel ADS MATH Google Scholar

Foulk, JW III, Johnson, GC, Klein, PA & Ritchie, RO Über die Zähigkeit spröder Materialien durch Kornbrückenbildung: Förderung des interkristallinen Bruchs durch Kornwinkel, Festigkeit und Zähigkeit. J. Mech. Physik. Solids 56, 2381–2400 (2008).

Artikel ADS CAS MATH Google Scholar

Fricker, HS Warum konzentriert sich die Ladung auf Punkte? Physik. Educ. 24 157 (1989).

Artikel ADS Google Scholar

Liu, G. et al. Verdichtete Li6PS5Cl-Nanostäbe mit hoher Ionenleitfähigkeit und verbesserter kritischer Stromdichte für Festkörper-Lithiumbatterien. Nano Lett. 20, 6660–6665 (2020).

Artikel ADS CAS PubMed Google Scholar

Begley, JA & Landes, JD in Proc. 1971 Nationales Symposium für Bruchmechanik – Teil II, ASTM STP 514 1–20 (ASTM, 1972).

Huang, Z. & Li, X. Ursprung der Fehlertoleranz in Perlmutt. Wissenschaft. Rep. 3, 1693 (2013).

Artikel ADS PubMed PubMed Central Google Scholar

Kinzer, B. et al. Operando-Analyse der Grenzfläche zwischen geschmolzenem Li und LLZO: Verständnis, wie sich die physikalischen Eigenschaften von Li auf die kritische Stromdichte auswirken. Angelegenheit 4, 1947–1961 (2021).

Artikel CAS Google Scholar

Lewis, JA et al. Rolle der Flächenkapazität bei der Bestimmung des Kurzschlusses von Festkörperbatterien auf Sulfidbasis. ACS-Appl. Mater. Schnittstellen 14, 4051–4060 (2022).

Artikel CAS PubMed Google Scholar

Hänsel, C. & Kundu, D. Das Stapeldruckdilemma in Li-Metall-Festkörperbatterien auf Sulfidelektrolytbasis: eine Fallstudie mit Li6PS5Cl-Festelektrolyt. Adv. Mater. Schnittstellen 8, 2100206 (2021).

Artikel Google Scholar

Doux, J.-M. et al. Überlegungen zum Stapeldruck für All-Solid-State-Lithium-Metall-Batterien bei Raumtemperatur. Adv. Energie Mater. 10, 1903253 (2020).

Artikel CAS Google Scholar

Haslam, CG, Wolfenstine, JB & Sakamoto, J. Der Einfluss des Aspektverhältnisses auf das mechanische Verhalten von Li-Metall in Festkörperzellen. J. Power Sources 520, 230831 (2022).

Artikel CAS Google Scholar

Otto, S.-K. et al. In-situ-Untersuchung von Lithiummetall-Festelektrolytanoden-Grenzflächen mit ToF-SIMS. Adv. Mater. Schnittstellen 9, 2102387 (2022).

Artikel CAS Google Scholar

Baranowski, LL, Heveran, CM, Ferguson, VL & Stoldt, CR Mehrskaliges mechanisches Verhalten des Li3PS4-Festphasenelektrolyten. ACS-Appl. Mater. Schnittstellen 8, 29573–29579 (2016).

Artikel CAS PubMed Google Scholar

Oliver, WC & Pharr, GM Messung von Härte und Elastizitätsmodul durch instrumentierte Eindringung: Fortschritte im Verständnis und Verfeinerungen der Methodik. J. Mater. Res. 19, 3–20 (2004).

Artikel ADS CAS Google Scholar

Zhang, T., Feng, Y., Yang, R. & Jiang, P. Eine Methode zur Bestimmung der Bruchzähigkeit mithilfe der Würfeleckeneindrückung. Scr. Mater. 62, 199–201 (2010).

Artikel ADS CAS Google Scholar

Cuadrado, N., Casellas, D., Anglada, M. & Jiménez-Piqué, E. Bewertung der Bruchzähigkeit kleiner Volumina mittels Würfelecken-Nanoindentation. Scr. Mater. 66, 670–673 (2012).

Artikel CAS Google Scholar

Di Maio, D. & Roberts, SG Messung der Bruchzähigkeit von Beschichtungen mithilfe von Mikrostrahlen, die mit fokussierten Ionenstrahlen bearbeitet werden. J. Mater. Res. 20, 299–302 (2005).

Artikel ADS Google Scholar

Chen, Y. et al. Messungen des Elastizitätsmoduls und der Bruchzähigkeit einer luftplasmagespritzten Wärmedämmschicht mittels Mikro-Cantilever-Biegung. Surfen. Mantel. Technol. 374, 12–20 (2019).

Artikel Google Scholar

Referenzen herunterladen

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

Sie können diesen Autor auch in PubMed Google Scholar suchen

Sie können diesen Autor auch in PubMed Google Scholar suchen

Sie können diesen Autor auch in PubMed Google Scholar suchen

Sie können diesen Autor auch in PubMed Google Scholar suchen

Sie können diesen Autor auch in PubMed Google Scholar suchen

Sie können diesen Autor auch in PubMed Google Scholar suchen

Sie können diesen Autor auch in PubMed Google Scholar suchen

Sie können diesen Autor auch in PubMed Google Scholar suchen

Sie können diesen Autor auch in PubMed Google Scholar suchen

Sie können diesen Autor auch in PubMed Google Scholar suchen

Sie können diesen Autor auch in PubMed Google Scholar suchen

Sie können diesen Autor auch in PubMed Google Scholar suchen

Sie können diesen Autor auch in PubMed Google Scholar suchen

Sie können diesen Autor auch in PubMed Google Scholar suchen

Sie können diesen Autor auch in PubMed Google Scholar suchen

Sie können diesen Autor auch in PubMed Google Scholar suchen

Sie können diesen Autor auch in PubMed Google Scholar suchen

Sie können diesen Autor auch in PubMed Google Scholar suchen

Sie können diesen Autor auch in PubMed Google Scholar suchen

Sie können diesen Autor auch in PubMed Google Scholar suchen

Sie können diesen Autor auch in PubMed Google Scholar suchen

Sie können diesen Autor auch in PubMed Google Scholar suchen

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.

Springer Nature oder sein Lizenzgeber (z. B. eine Gesellschaft oder ein anderer Partner) besitzen die ausschließlichen Rechte an diesem Artikel im Rahmen einer Veröffentlichungsvereinbarung mit dem/den Autor(en) oder anderen Rechteinhaber(n); Die Selbstarchivierung der akzeptierten Manuskriptversion dieses Artikels durch den Autor unterliegt ausschließlich den Bedingungen dieser Veröffentlichungsvereinbarung und geltendem Recht.

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

Zitat herunterladen

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

Jeder, mit dem Sie den folgenden Link teilen, kann diesen Inhalt lesen:

Leider ist für diesen Artikel derzeit kein Link zum Teilen verfügbar.

Bereitgestellt von der Content-Sharing-Initiative Springer Nature SharedIt

Durch das Absenden eines Kommentars erklären Sie sich damit einverstanden, unsere Nutzungsbedingungen und Community-Richtlinien einzuhalten. Wenn Sie etwas als missbräuchlich empfinden oder etwas nicht unseren Bedingungen oder Richtlinien entspricht, kennzeichnen Sie es bitte als unangemessen.