Зарождение и распространение дендритов в твердом металлическом литии

Nature, том 618, страницы 287–293 (2023 г.) Процитировать эту статью

72 Альтметрика

Подробности о метриках

Полностью твердотельные батареи с литиевым анодом и керамическим электролитом потенциально могут существенно изменить производительность по сравнению с современными литий-ионными батареями1,2. Однако дендриты лития (нити) образуются при зарядке с практической скоростью и проникают в керамический электролит, что приводит к короткому замыканию и выходу из строя элемента3,4. Предыдущие модели проникновения дендритов, как правило, фокусировались на одном процессе зарождения и распространения дендритов, при этом Ли продвигал трещину на ее кончике5,6,7,8,9. Здесь мы показываем, что инициация и распространение — отдельные процессы. Инициирование происходит в результате осаждения Li в подповерхностные поры посредством микротрещин, соединяющих поры с поверхностью. После заполнения дальнейшая зарядка создает давление в порах из-за медленного выдавливания лития (вязкопластическое течение) обратно на поверхность, что приводит к растрескиванию. Напротив, распространение дендритов происходит за счет раскрытия клина, при этом Ли продвигает сухую трещину сзади, а не на кончике. В то время как инициирование определяется локальной (микроскопической) прочностью разрушения на границах зерен, размером пор, плотностью населения пор и плотностью тока, распространение зависит от (макроскопической) вязкости разрушения керамики, длины литиевого дендрита (нити) который частично занимает сухую трещину, плотность тока, давление в батарее и зарядную емкость, доступную во время каждого цикла. Более низкие давления в стопке подавляют распространение, заметно увеличивая количество циклов до короткого замыкания в клетках, в которых зародились дендриты.

Это предварительный просмотр контента подписки, доступ через ваше учреждение.

Доступ к журналу Nature и 54 другим журналам Nature Portfolio.

Приобретите Nature+, нашу выгодную подписку с онлайн-доступом.

29,99 долларов США / 30 дней

отменить в любое время

Подпишитесь на этот журнал

Получите 51 печатный выпуск и онлайн-доступ.

199,00 долларов США в год

всего $3,90 за выпуск

Возьмите напрокат или купите эту статью

Получите только эту статью до тех пор, пока она вам нужна

$39,95

Цены могут зависеть от местных налогов, которые рассчитываются во время оформления заказа.

Наборы данных, созданные и/или проанализированные в ходе данного исследования, можно получить у соответствующего автора по обоснованному запросу.

Компьютерный код, созданный и использованный в ходе данного исследования, можно получить у соответствующего автора по обоснованному запросу.

Янек Дж. и Зейер В.Г. Перспективное будущее разработки аккумуляторов. Нат. Энергия 1, 16141 (2016).

Статья ADS Google Scholar

Фамприкис Т., Канепа П., Доусон Дж. А., Ислам М. С. и Маскелье К. Основы неорганических твердотельных электролитов для аккумуляторов. Нат. Матер. 18, 1278–1291 (2019).

Статья ADS CAS PubMed Google Scholar

Нин, З. и др. Визуализация растрескивания, вызванного гальваническим покрытием, в твердоэлектролитных ячейках с литий-анодом. Нат. Матер. 20, 1121–1129 (2021).

Статья ADS CAS PubMed Google Scholar

Касемчайнан Дж. и др. Критический ток обдирки приводит к образованию дендритов на покрытиях в твердоэлектролитных ячейках с литиевым анодом. Нат. Матер. 18, 1105–1111 (2019).

Статья ADS CAS PubMed Google Scholar

Фельдман, Л.А. и Де Йонге, Л.К. Инициирование деградации режима I в электролитах натрий-бета-оксида алюминия. Дж. Матер. наук. 17, 517–524 (1982).

Статья ADS CAS Google Scholar

Порц, Л. и др. Механизм проникновения металлического лития через неорганические твердые электролиты. Адв. Энергетическая Материя. 7, 1701003 (2017).

Статья в Академии Google

Буччи, Г. и Кристенсен, Дж. Моделирование электроосаждения лития на границе раздела литий/керамический электролит: роль межфазного сопротивления и поверхностных дефектов. Дж. Источники питания 441, 227186 (2019).