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 d'empilement et la capacité de charge accessible au cours de 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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Janek, J. & Zeier, WG Un avenir solide pour le développement des batteries. Nat. Énergie 1, 16141 (2016).

Annonces d'article Google Scholar

Famprikis, T., Canepa, P., Dawson, JA, Islam, MS et Masquelier, C. Principes fondamentaux des électrolytes solides inorganiques pour batteries. Nat. Mater. 18, 1278-1291 (2019).

Article ADS CAS PubMed Google Scholar

Ning, Z. et al. Visualisation de la fissuration induite par le placage dans les cellules à électrolyte solide à anode au lithium. Nat. Mater. 20, 1121-1129 (2021).

Article ADS CAS PubMed Google Scholar

Kasemchainan, J. et al. Le courant de décapage critique conduit à la formation de dendrites sur le placage dans les cellules à électrolyte solide à anode au lithium. Nat. Mater. 18, 1105-1111 (2019).

Article ADS CAS PubMed Google Scholar

Feldman, LA & De Jonghe, LC Initiation de la dégradation du mode I dans les électrolytes de sodium-bêta-alumine. J. Mater. Sci. 17, 517-524 (1982).

Article ADS CAS Google Scholar

Porz, L. et al. Mécanisme de pénétration du lithium métal à travers les électrolytes solides inorganiques. Adv. Matière énergétique. 7, 1701003 (2017).

Article Google Scholar

Bucci, G. & Christensen, J. Modélisation de l'électrodéposition du lithium à l'interface électrolyte lithium/céramique : le rôle de la résistance interfaciale et des défauts de surface. J. Sources d'alimentation 441, 227186 (2019).

Article CAS Google Scholar

Klinsmann, M., Hildebrand, FE, Ganser, M. & McMeeking, RM Fissuration dendritique dans les électrolytes solides entraînée par l'insertion de lithium. J. Sources d'alimentation 442, 227226 (2019).

Article CAS Google Scholar

Barroso-Luque, L., Tu, Q. & Ceder, G. Analyse de l'écoulement plastique métallique induit par électrodéposition à l'état solide et prédictions des états de contrainte dans les défauts des conducteurs ioniques solides. J. Electrochem. Soc. 167, 20534 (2020).

Article CAS Google Scholar

Zhou, L. et al. Capacité surfacique élevée, longue durée de vie Batteries Li-ion 4 V céramique tout solide activées par des électrolytes solides de chlorure. Nat. Énergie 7, 83–93 (2022).

Article ADS CAS Google Scholar

Koç, T., Marchini, F., Rousse, G., Dugas, R. & Tarascon, J.-M. A la recherche du meilleur couple électrolyte solide-oxyde stratifié pour assembler des batteries tout solide pratiques. ACS Appl. Matière énergétique. 4, 13575–13585 (2021).

Article Google Scholar

Liang, J. et al. Une série de conducteurs superioniques en chlorure de métal ternaire pour les batteries au lithium à semi-conducteurs hautes performances. Adv. Matière énergétique. 12, 2103921 (2022).

Article CAS Google Scholar

Tu, Q., Shi, T., Chakravarthy, S. & Ceder, G. Comprendre la propagation des métaux dans les électrolytes solides en raison de la conduction mixte ionique-électronique. Matière 4, 3248–3268 (2021).

Article CAS Google Scholar

Kazyak, E. et al. Pénétration du Li dans les électrolytes solides céramiques : analyse par microscopie operando de la morphologie, de la propagation et de la réversibilité. Matière 2, 1025-1048 (2020).

Article Google Scholar

Scharf, J. et al. Combler la tomographie à rayons X à l'échelle nanométrique et microscopique pour la recherche sur les batteries en tirant parti de l'intelligence artificielle. Nat. Nanotechnologie. 17, 446–459 (2022).

Article ADS CAS PubMed Google Scholar

De Jonghe, LC, Feldman, L. & Beuchele, A. Dégradation lente et conduction électronique dans le sodium/bêta-alumines. J. Mater. Sci. 16, 780-786 (1981).

Annonces d'article Google Scholar

Han, F. et al. Haute conductivité électronique comme origine de la formation de dendrites de lithium dans les électrolytes solides. Nat. Énergie 4, 187–196 (2019).

Article ADS CAS Google Scholar

Masias, A., Felten, N., Garcia-Mendez, R., Wolfenstine, J. & Sakamoto, J. Propriétés mécaniques élastiques, plastiques et de fluage du lithium métal. J. Mater. Sci. 54, 2585-2600 (2019).

Article ADS CAS Google Scholar

Sedlatschek, T. et al. Plasticité aux grandes déformations et comportement à la rupture du lithium pur sous divers états de contrainte. Acta Mater. 208, 116730 (2021).

Article CAS Google Scholar

Doltsinis, I. & Dattke, R. Modélisation de l'endommagement des céramiques poreuses sous pression interne. Calcul. Méthodes Appl. Méca. Ing. 191, 29–46 (2001).

Article ANNONCES MATH Google Scholar

Foulk, JW III, Johnson, GC, Klein, PA & Ritchie, RO Sur le durcissement des matériaux fragiles par le pontage des grains : promotion de la fracture intergranulaire par l'angle, la résistance et la ténacité des grains. J. Mech. Phys. Solides 56, 2381–2400 (2008).

Article ADS CAS MATH Google Scholar

Fricker, HS Pourquoi la charge se concentre-t-elle sur les points ? Phys. Éduc. 24 157 (1989).

Annonces d'article Google Scholar

Liu, G. et al. Nanorods Li6PS5Cl densifiés avec une conductivité ionique élevée et une densité de courant critique améliorée pour les batteries au lithium à l'état solide. Nano Lett. 20, 6660–6665 (2020).

Article ADS CAS PubMed Google Scholar

Begley, JA & Landes, JD dans Proc. 1971 Symposium national sur la mécanique de la rupture - Partie II, ASTM STP 514 1–20 (ASTM, 1972).

Huang, Z. & Li, X. Origine de la tolérance aux défauts dans la nacre. Sci. Rep. 3, 1693 (2013).

Article ADS PubMed PubMed Central Google Scholar

Kinzer, B. et al. Analyse operando de l'interface Li|LLZO fondu : comprendre comment les propriétés physiques de Li affectent la densité de courant critique. Matière 4, 1947-1961 (2021).

Article CAS Google Scholar

Lewis, JA et al. Rôle de la capacité surfacique dans la détermination du court-circuit des batteries à semi-conducteurs à base de sulfure. ACS Appl. Mater. Interfaces 14, 4051–4060 (2022).

Article CAS PubMed Google Scholar

Hänsel, C. & Kundu, D. Le dilemme de la pression de pile dans les batteries à l'état solide Li métal à base d'électrolyte sulfuré : une étude de cas avec l'électrolyte solide Li6PS5Cl. Adv. Mater. Interfaces 8, 2100206 (2021).

Article Google Scholar

Doux, J.-M. et coll. Considérations relatives à la pression d'empilement pour les batteries au lithium métal tout solide à température ambiante. Adv. Matière énergétique. 10, 1903253 (2020).

Article CAS Google Scholar

Haslam, CG, Wolfenstine, JB & Sakamoto, J. L'effet du rapport d'aspect sur le comportement mécanique du métal Li dans les cellules à l'état solide. J.Power Sources 520, 230831 (2022).

Article CAS Google Scholar

Otto, S.-K. et coll. Étude in situ des interfaces d'anode lithium métal-électrolyte solide avec ToF-SIMS. Adv. Mater. Interfaces 9, 2102387 (2022).

Article CAS Google Scholar

Baranowski, LL, Heveran, CM, Ferguson, VL & Stoldt, CR Comportement mécanique à plusieurs échelles de l'électrolyte en phase solide Li3PS4. ACS Appl. Mater. Interfaces 8, 29573–29579 (2016).

Article CAS PubMed Google Scholar

Oliver, WC & Pharr, GM Mesure de la dureté et du module d'élasticité par indentation instrumentée : avancées dans la compréhension et raffinements de la méthodologie. J. Mater. Rés. 19, 3–20 (2004).

Article ADS CAS Google Scholar

Zhang, T., Feng, Y., Yang, R. et Jiang, P. Une méthode pour déterminer la ténacité à la rupture à l'aide d'une indentation en coin de cube. Scr. Mater. 62, 199-201 (2010).

Article ADS CAS Google Scholar

Cuadrado, N., Casellas, D., Anglada, M. & Jiménez-Piqué, E. Évaluation de la ténacité à la rupture de petits volumes au moyen de la nanoindentation en coins de cube. Scr. Mater. 66, 670–673 (2012).

Article CAS Google Scholar

Di Maio, D. & Roberts, SG Mesure de la résistance à la fracture des revêtements à l'aide de microfaisceaux usinés par faisceau d'ions focalisés. J. Mater. Rés. 20, 299–302 (2005).

Annonces d'article Google Scholar

Chen, Y. et al. Mesures du module d'élasticité et de la ténacité à la rupture d'un revêtement de barrière thermique pulvérisé par plasma d'air à l'aide d'un micro-pliage en porte-à-faux. Le surf. Manteau. Technol. 374, 12-20 (2019).

Article Google Scholar

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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 au 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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