Initiation et propagation des dendrites dans le lithium métallique solide

Nature volume 618, pages 287–293 (2023)Citer cet article

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Les batteries entièrement à l'état solide avec une anode Li et un électrolyte céramique ont le potentiel d'offrir un changement radical de performances par rapport aux batteries Li-ion d'aujourd'hui1,2. Cependant, des dendrites de Li (filaments) se forment lors de la charge à des vitesses pratiques et pénètrent dans l'électrolyte céramique, entraînant un court-circuit et une défaillance de la cellule3,4. Les modèles précédents de pénétration des dendrites se sont généralement concentrés sur un seul processus d'initiation et de propagation des dendrites, Li entraînant la fissure à son extrémité5,6,7,8,9. Ici, nous montrons que l'initiation et la propagation sont des processus distincts. L'initiation provient du dépôt de Li dans les pores du sous-sol, au moyen de microfissures qui relient les pores à la surface. Une fois rempli, une charge supplémentaire crée une pression dans les pores en raison de la lente extrusion de Li (flux viscoplastique) vers la surface, entraînant une fissuration. En revanche, la propagation des dendrites se produit par ouverture en coin, Li entraînant la fissure sèche par l'arrière et non par la pointe. Alors que l'initiation est déterminée par la résistance à la rupture locale (microscopique) aux joints de grains, la taille des pores, la densité de population de pores et la densité de courant, la propagation dépend de la ténacité à la rupture (macroscopique) de la céramique, de la longueur de la dendrite Li (filament) qui occupe partiellement la fissure sèche, la densité de courant, la pression de cheminée et la capacité de charge accessible à chaque cycle. Des pressions d'empilement plus faibles suppriment la propagation, prolongeant considérablement le nombre de cycles avant le court-circuit dans les cellules dans lesquelles les dendrites se sont initiées.

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PGB est redevable à la Faraday Institution SOLBAT (FIRG007, FIRG008, FIRG026), ainsi qu'au Engineering and Physical Sciences Research Council, Enabling Next Generation Lithium Batteries (EP/M009521/1), à la mise à niveau de l'équipement expérimental de l'Université d'Oxford (EP/ M02833X/1) et le Henry Royce Institute for Advanced Materials (EP/R0066X/1, EP/S019367/1, EP/R010145/1) pour un soutien financier. Nous remercions la Diamond Light Source pour la fourniture du temps de faisceau de rayonnement synchrotron (expérience n ° MG23980-1) à la ligne de faisceau I13-2 à la Diamond Light Source. Nous reconnaissons le soutien technique et expérimental à la ligne de lumière I13-2 par AJ Bodey.

Ces auteurs ont contribué à parts égales : Ziyang Ning, Guanchen Li, Dominic LR Melvin

Département des matériaux, Université d'Oxford, Oxford, Royaume-Uni

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 et Peter G. Bruce

Laboratoire d'innovation scientifique et technologique du Fujian pour les dispositifs énergétiques (Laboratoire 21C), Ningde, Chine

Ziyang Ning

Département des sciences de l'ingénieur, Université d'Oxford, Oxford, Royaume-Uni

Guanchen Li et Charles W. Monroe

James Watt School of Engineering, Université de Glasgow, Glasgow, Royaume-Uni

Guanchen Li

L'Institution Faraday, Harwell Campus, Didcot, Royaume-Uni

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 et Peter G. Bruce

Département de génie mécanique, Université de Bath, Bath, Royaume-Uni

Yang Chen

Source de lumière diamant, Harwell Campus, Didcot, Royaume-Uni

Andrew J. Bodey

Département de chimie, Université d'Oxford, Oxford, Royaume-Uni

Peter G. Bruce

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ZN, GL et DLRM ont contribué à tous les aspects de la recherche. ZN, DLRM, DS-J., SDP, GOH et AJB ont réalisé l'opérando synchrotron XCT. ZN et DLRM ont effectué la préparation des disques d'électrolyte et l'assemblage des cellules. ZN, DLRM, CG et XG ont effectué la spectrométrie de masse en ligne. ZN, DLRM, BH, BL et JB ont réalisé l'imagerie plasma FIB. DLRM et JB ont réalisé une imagerie plasma FIB avec SIMS. ZN, DLRM, JP, JL et DEJA ont réalisé la préparation des essais microcantilever et mécaniques. GL, YC et CWM ont réalisé la modélisation. ZN, GL, DLRM, DS-J., RIT, PSG, DEJA, TJM, CWM et PGB ont discuté des données. Tous les auteurs ont contribué à l'interprétation des données. ZN, DLRM, GL, CWM et PGB ont rédigé le manuscrit, avec des contributions et des révisions de tous les auteurs. Le projet a été supervisé par CWM, TJM et PGB

Correspondance avec T. James Marrow, Charles W. Monroe ou Peter G. Bruce.

Les auteurs ne déclarent aucun intérêt concurrent.

Nature remercie Kelsey Hatzell, Chen-Zi Zhao et les autres examinateurs anonymes pour leur contribution à l'examen par les pairs de ce travail.

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Ce fichier contient des détails sur la modélisation de l'initiation et de la propagation des dendrites, Figs supplémentaires. 1–21 et tableaux supplémentaires 1–3.

Imagerie Operando XCT montrant le développement d'une fissure de dendrite de l'initiation à la propagation jusqu'au court-circuit.

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Réimpressions et autorisations

Ning, Z., Li, G., Melvin, DLR et al. Initiation et propagation des dendrites dans les batteries au lithium métal à l'état solide. Nature 618, 287-293 (2023). https://doi.org/10.1038/s41586-023-05970-4

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Reçu : 02 octobre 2022

Accepté : 17 mars 2023

Publié: 07 juin 2023

Date d'émission : 08 juin 2023

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

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