Iniciación y propagación de dendritas en litio metálico sólido

NOTICIAS RECIENTES

Mar 07, 2023

Recorrido por la casa de la semana: una casa de estilo colonial de $499,900 en Milton con electrodomésticos de acero inoxidable y un sótano terminado

Mar 09, 2023

WOTW: Audemars Piguet Royal Oak Offshore “Indigo” de Viktor Hovland

Mar 11, 2023

Perfiles Viraj SA Ltd. nombra a Rakesh Chauhan como Dy. Director General

Mar 13, 2023

Empresa de ingeniería de precisión lleva el control de calidad al siguiente nivel

Mar 15, 2023

Mercado de tubos soldados de acero inoxidable: un estudio exhaustivo explora el enorme crecimiento en el futuro

ENVÍE SU CONSULTA

ENTREGAR

Sep 25, 2023

Iniciación y propagación de dendritas en litio metálico sólido

Naturaleza volumen 618, páginas

Nature volumen 618, páginas 287–293 (2023)Citar este artículo

726 Accesos

136 Altmetric

Detalles de métricas

Las baterías de estado sólido con ánodo de litio y electrolito cerámico tienen el potencial de ofrecer un cambio radical en el rendimiento en comparación con las baterías de iones de litio actuales1,2. Sin embargo, las dendritas (filamentos) de Li se forman al cargar a velocidades prácticas y penetran en el electrolito cerámico, lo que provoca un cortocircuito y una falla de la celda3,4. Los modelos anteriores de penetración de dendrita generalmente se han centrado en un solo proceso para la iniciación y propagación de dendrita, con Li conduciendo la grieta en su punta5,6,7,8,9. Aquí mostramos que la iniciación y la propagación son procesos separados. La iniciación surge de la deposición de Li en los poros del subsuelo, por medio de microfisuras que conectan los poros con la superficie. Una vez lleno, la carga adicional genera presión en los poros debido a la extrusión lenta de Li (flujo viscoplástico) de regreso a la superficie, lo que provoca el agrietamiento. Por el contrario, la propagación de las dendritas se produce por la apertura de la cuña, con Li impulsando la grieta seca desde la parte trasera, no desde la punta. Mientras que la iniciación está determinada por la resistencia a la fractura local (microscópica) en los límites de grano, el tamaño de poro, la densidad de población de poros y la densidad de corriente, la propagación depende de la tenacidad a la fractura (macroscópica) de la cerámica, la longitud de la dendrita Li (filamento) que ocupa parcialmente la fisura seca, la densidad de corriente, la presión de chimenea y la capacidad de carga a la que se accede durante cada ciclo. Las presiones de pila más bajas suprimen la propagación, extendiendo notablemente el número de ciclos antes del cortocircuito en las células en las que se han iniciado las dendritas.

Esta es una vista previa del contenido de suscripción, acceda a través de su institución

Acceda a Nature y a otras 54 revistas de Nature Portfolio

Obtenga Nature+, nuestra suscripción de acceso en línea de mejor valor

$29.99 / 30 días

cancelar en cualquier momento

Suscríbete a este diario

Reciba 51 ediciones impresas y acceso en línea

$199.00 por año

solo $ 3.90 por edición

Alquila o compra este artículo

Obtenga solo este artículo durante el tiempo que lo necesite

$39.95

Los precios pueden estar sujetos a impuestos locales que se calculan durante el pago

Los conjuntos de datos generados y/o analizados durante este estudio están disponibles del autor correspondiente a pedido razonable.

El código de computadora generado y utilizado durante este estudio está disponible del autor correspondiente a pedido razonable.

Janek, J. & Zeier, WG Un futuro sólido para el desarrollo de baterías. Nat. Energía 1, 16141 (2016).

Artículo ANUNCIOS Google Académico

Famprikis, T., Canepa, P., Dawson, JA, Islam, MS y Masquelier, C. Fundamentos de electrolitos inorgánicos de estado sólido para baterías. Nat. Mate. 18, 1278–1291 (2019).

Artículo ADS CAS PubMed Google Scholar

Ning, Z. et al. Visualización del agrietamiento inducido por recubrimiento en celdas de electrolito sólido de ánodo de litio. Nat. Mate. 20, 1121–1129 (2021).

Artículo ADS CAS PubMed Google Scholar

Kasemchainan, J. et al. La corriente de extracción crítica conduce a la formación de dendritas en el revestimiento de celdas de electrolito sólido de ánodo de litio. Nat. Mate. 18, 1105–1111 (2019).

Artículo ADS CAS PubMed Google Scholar

Feldman, LA & De Jonghe, LC Inicio de la degradación del modo I en electrolitos de sodio-beta alúmina. J.Mater. ciencia 17, 517–524 (1982).

Artículo ADS CAS Google Académico

Porz, L. et al. Mecanismo de penetración del metal litio a través de electrolitos sólidos inorgánicos. Adv. Materia Energética. 7, 1701003 (2017).

Artículo Google Académico

Bucci, G. & Christensen, J. Modelado de la electrodeposición de litio en la interfaz de electrolito de litio/cerámica: el papel de la resistencia interfacial y los defectos superficiales. J. Fuentes de alimentación 441, 227186 (2019).

Artículo CAS Google Académico

Klinsmann, M., Hildebrand, FE, Ganser, M. y McMeeking, RM Grietas dendríticas en electrolitos sólidos impulsadas por la inserción de litio. J. Fuentes de alimentación 442, 227226 (2019).

Artículo CAS Google Académico

Barroso-Luque, L., Tu, Q. & Ceder, G. Un análisis del flujo de metal plástico inducido por electrodeposición de estado sólido y predicciones de estados de tensión en defectos de conductores iónicos sólidos. J. Electroquímica. Soc. 167, 20534 (2020).

Artículo CAS Google Académico

Zhou, L. et al. Baterías de iones de litio de estado sólido de cerámica de 4 V de alta capacidad de área y larga vida útil habilitadas por electrolitos sólidos de cloruro. Nat. Energía 7, 83–93 (2022).

Artículo ADS CAS Google Académico

Koç, T., Marchini, F., Rousse, G., Dugas, R. & Tarascon, J.-M. En busca de la mejor combinación de óxido en capas de electrolito sólido para ensamblar baterías prácticas de estado sólido. Aplicación ACS. Materia Energética. 4, 13575–13585 (2021).

Artículo Google Académico

Liang, J. et al. Una serie de conductores superiónicos de cloruro metálico ternario para baterías de litio de estado sólido de alto rendimiento. Adv. Materia Energética. 12, 2103921 (2022).

Artículo CAS Google Académico

Tu, Q., Shi, T., Chakravarthy, S. & Ceder, G. Comprensión de la propagación de metales en electrolitos sólidos debido a la conducción iónico-electrónica mixta. Asunto 4, 3248–3268 (2021).

Artículo CAS Google Académico

Kazyak, E. et al. Penetración de litio en electrolitos sólidos cerámicos: análisis de microscopía operando de morfología, propagación y reversibilidad. Asunto 2, 1025–1048 (2020).

Artículo Google Académico

Scharf, J. et al. Unir la tomografía de rayos X a nanoescala y microescala para la investigación de baterías mediante el aprovechamiento de la inteligencia artificial. Nat. Nanotecnología. 17, 446–459 (2022).

Artículo ADS CAS PubMed Google Scholar

De Jonghe, LC, Feldman, L. & Beuchele, A. Degradación lenta y conducción de electrones en sodio/beta-alúminas. J.Mater. ciencia 16, 780–786 (1981).

Artículo ANUNCIOS Google Académico

Han, F. et al. Alta conductividad electrónica como origen de la formación de dendritas de litio dentro de electrolitos sólidos. Nat. Energía 4, 187–196 (2019).

Artículo ADS CAS Google Académico

Masias, A., Felten, N., Garcia-Mendez, R., Wolfenstine, J. & Sakamoto, J. Propiedades mecánicas elásticas, plásticas y de fluencia del litio metálico. J.Mater. ciencia 54, 2585–2600 (2019).

Artículo ADS CAS Google Académico

Sedlatschek, T. et al. Plasticidad de gran deformación y comportamiento de fractura del litio puro bajo varios estados de tensión. Acta Mater. 208, 116730 (2021).

Artículo CAS Google Académico

Doltsinis, I. & Dattke, R. Modelado del daño de la cerámica porosa bajo presión interna. computar Aplicación de métodos mecánico Ing. 191, 29–46 (2001).

Artículo ADS MATH Google Scholar

Foulk, JW III, Johnson, GC, Klein, PA y Ritchie, RO Sobre el endurecimiento de materiales frágiles mediante puentes de grano: promoción de la fractura intergranular a través del ángulo, la resistencia y la tenacidad del grano. J. Mec. física Sólidos 56, 2381–2400 (2008).

Artículo ADS CAS MATH Google Scholar

Fricker, HS ¿Por qué la carga se concentra en los puntos? física Educ. 24 157 (1989).

Artículo ANUNCIOS Google Académico

Liu, G. et al. Nanovarillas Li6PS5Cl densificadas con alta conductividad iónica y densidad de corriente crítica mejorada para baterías de litio de estado sólido. Nano Lett. 20, 6660–6665 (2020).

Artículo ADS CAS PubMed Google Scholar

Begley, JA y Landes, JD en Proc. 1971 Simposio Nacional sobre Mecánica de Fracturas—Parte II, ASTM STP 514 1–20 (ASTM, 1972).

Huang, Z. & Li, X. Origen de la tolerancia a fallas en nácar. ciencia Rep. 3, 1693 (2013).

Artículo ADS PubMed PubMed Central Google Scholar

Kinzer, B. et al. Análisis de operando de la interfase Li|LLZO fundido: comprensión de cómo las propiedades físicas del Li afectan la densidad de corriente crítica. Materia 4, 1947-1961 (2021).

Artículo CAS Google Académico

Lewis, JA et al. Papel de la capacidad de área en la determinación de cortocircuitos de baterías de estado sólido a base de sulfuro. Aplicación ACS. Mate. Interfaces 14, 4051–4060 (2022).

Artículo CAS PubMed Google Académico

Hänsel, C. & Kundu, D. El dilema de la presión de pila en baterías de estado sólido de metal Li basadas en electrolito de sulfuro: un estudio de caso con electrolito sólido Li6PS5Cl. Adv. Mate. Interfaces 8, 2100206 (2021).

Artículo Google Académico

Doux, J.-M. et al. Consideraciones sobre la presión de pila para baterías de metal de litio de estado sólido a temperatura ambiente. Adv. Materia Energética. 10, 1903253 (2020).

Artículo CAS Google Académico

Haslam, CG, Wolfenstine, JB y Sakamoto, J. El efecto de la relación de aspecto en el comportamiento mecánico del metal Li en celdas de estado sólido. J. Fuentes de alimentación 520, 230831 (2022).

Artículo CAS Google Académico

Otto, S.-K. et al. Investigación in situ de interfaces de ánodo de electrolito sólido de metal de litio con ToF-SIMS. Adv. Mate. Interfaces 9, 2102387 (2022).

Artículo CAS Google Académico

Baranowski, LL, Heveran, CM, Ferguson, VL y Stoldt, CR Comportamiento mecánico multiescala del electrolito de fase sólida Li3PS4. Aplicación ACS. Mate. Interfaces 8, 29573–29579 (2016).

Artículo CAS PubMed Google Académico

Oliver, WC & Pharr, GM Medición de dureza y módulo elástico por indentación instrumentada: avances en la comprensión y mejoras en la metodología. J.Mater. Res. 19, 3–20 (2004).

Artículo ADS CAS Google Académico

Zhang, T., Feng, Y., Yang, R. y Jiang, P. Un método para determinar la tenacidad a la fractura mediante la indentación de esquina cúbica. Scr. Mate. 62, 199–201 (2010).

Artículo ADS CAS Google Académico

Cuadrado, N., Casellas, D., Anglada, M. & Jiménez-Piqué, E. Evaluación de la tenacidad a la fractura de pequeños volúmenes mediante nanoindentación de esquinas cúbicas. Scr. Mate. 66, 670–673 (2012).

Artículo CAS Google Académico

Di Maio, D. & Roberts, SG Medición de la tenacidad a la fractura de revestimientos utilizando microhaces mecanizados con haz de iones enfocados. J.Mater. Res. 20, 299–302 (2005).

Artículo ANUNCIOS Google Académico

Chen, Y. et al. Mediciones del módulo elástico y la tenacidad a la fractura de un revestimiento de barrera térmica rociado con plasma de aire utilizando microflexión en voladizo. Navegar. Abrigo. Tecnología 374, 12–20 (2019).

Artículo Google Académico

Descargar referencias

PGB está en deuda con la Institución Faraday SOLBAT (FIRG007, FIRG008, FIRG026), así como con el Consejo de Investigación de Ingeniería y Ciencias Físicas, Habilitación de baterías de litio de próxima generación (EP/M009521/1), la actualización del equipo experimental de la Universidad de Oxford (EP/ M02833X/1) y el Instituto Henry Royce de Materiales Avanzados (EP/R0066X/1, EP/S019367/1, EP/R010145/1) por su apoyo financiero. Agradecemos a Diamond Light Source por proporcionar tiempo de haz de radiación de sincrotrón (experimento n.º MG23980-1) en la línea de luz I13-2 en Diamond Light Source. Reconocemos el apoyo técnico y experimental en la línea de luz I13-2 de AJ Bodey.

Estos autores contribuyeron igualmente: Ziyang Ning, Guanchen Li, Dominic LR Melvin

Departamento de Materiales, Universidad de Oxford, Oxford, Reino Unido

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 y Peter G. Bruce

Laboratorio de Innovación en Ciencia y Tecnología de Fujian para Dispositivos de Energía (21C Lab), Ningde, China

Ziyang Ning

Departamento de Ciencias de la Ingeniería, Universidad de Oxford, Oxford, Reino Unido

Guanchen Li y Charles W. Monroe

Escuela de Ingeniería James Watt, Universidad de Glasgow, Glasgow, Reino Unido

Guanchen Li

La Institución Faraday, Campus de Harwell, Didcot, Reino Unido

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 y Peter G. Bruce

Departamento de Ingeniería Mecánica, Universidad de Bath, Bath, Reino Unido

yang chen

Fuente de luz de diamante, campus de Harwell, Didcot, Reino Unido

Andrew J Bodey

Departamento de Química, Universidad de Oxford, Oxford, Reino Unido

Pedro G. Bruce

También puede buscar este autor en PubMed Google Scholar

ZN, GL y DLRM contribuyeron a todos los aspectos de la investigación. ZN, DLRM, DS-J., SDP, GOH y AJB realizaron el operando sincrotrón XCT. ZN y DLRM realizaron la preparación de discos de electrolitos y el ensamblaje de celdas. ZN, DLRM, CG y XG realizaron la espectrometría de masas en línea. ZN, DLRM, BH, BL y JB realizaron las imágenes de plasma FIB. DLRM y JB realizaron imágenes FIB de plasma con SIMS. ZN, DLRM, JP, JL y DEJA realizaron la preparación de microvoladizos y ensayos mecánicos. GL, YC y CWM realizaron el modelado. ZN, GL, DLRM, DS-J., RIT, PSG, DEJA, TJM, CWM y PGB discutieron los datos. Todos los autores contribuyeron a la interpretación de los datos. ZN, DLRM, GL, CWM y PGB escribieron el manuscrito, con contribuciones y revisiones de todos los autores. El proyecto fue supervisado por CWM, TJM y PGB

Correspondencia a T. James Marrow, Charles W. Monroe o Peter G. Bruce.

Los autores declaran no tener conflictos de intereses.

Nature agradece a Kelsey Hatzell, Chen-Zi Zhao y a los demás revisores anónimos por su contribución a la revisión por pares de este trabajo.

Nota del editor Springer Nature se mantiene neutral con respecto a los reclamos jurisdiccionales en mapas publicados y afiliaciones institucionales.

Este archivo contiene detalles del modelado de iniciación y propagación de dendritas, Figs. complementarias. 1–21 y tablas complementarias 1–3.

Imágenes de Operando XCT que muestran el desarrollo de una fisura de dendrita desde el inicio hasta la propagación y el cortocircuito.

Springer Nature o su licenciante (p. ej., una sociedad u otro socio) posee los derechos exclusivos de este artículo en virtud de un acuerdo de publicación con los autores u otros titulares de derechos; el autoarchivo del autor de la versión manuscrita aceptada de este artículo se rige únicamente por los términos de dicho acuerdo de publicación y la ley aplicable.

Reimpresiones y permisos

Ning, Z., Li, G., Melvin, DLR et al. Iniciación y propagación de dendritas en baterías de estado sólido de metal de litio. Naturaleza 618, 287–293 (2023). https://doi.org/10.1038/s41586-023-05970-4

Descargar cita

Recibido: 02 Octubre 2022

Aceptado: 17 de marzo de 2023

Publicado: 07 junio 2023

Fecha de emisión: 08 de junio de 2023

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

Cualquier persona con la que compartas el siguiente enlace podrá leer este contenido:

Lo sentimos, un enlace para compartir no está disponible actualmente para este artículo.

Proporcionado por la iniciativa de intercambio de contenido Springer Nature SharedIt

Al enviar un comentario, acepta cumplir con nuestros Términos y Pautas de la comunidad. Si encuentra algo abusivo o que no cumple con nuestros términos o pautas, márquelo como inapropiado.

Un garaje en ruinas en Nueva York se derrumbó. Docenas más tienen problemas similares.

Se espera que el mercado de productos largos de acero alcance los 951,60 mil millones de dólares para 2029 a una CAGR de 3,62 por ciento

Noticias

Iniciación y propagación de dendritas en litio metálico sólido