Mechanical Milling – Induced Microstructure Changes in Argyrodite LPSCl Solid‐State Electrolyte Critically Affect Electrochemical Stability

材料科学 电解质 微观结构 复合材料 粒度 化学工程 聚焦离子束 晶界 电极 离子 物理 化学 物理化学 工程类 量子力学
作者
Yixian Wang,Hongchang Hao,Kaustubh G. Naik,Bairav S. Vishnugopi,Cole D. Fincher,Qianqian Yan,Vikalp Raj,Hugo Celio,Guang Yang,Hong Fang,Yet‐Ming Chiang,Frédéric A. Perras,Puru Jena,John Watt,Partha P. Mukherjee,David Mitlin
出处
期刊:Advanced Energy Materials [Wiley]
卷期号:14 (23) 被引量:22
标识
DOI:10.1002/aenm.202304530
摘要

Abstract Microstructure of argyrodite solid‐state electrolyte (SSE) critically affects lithium metal electrodeposition/dissolution. While the stability of unmodified SSE is mediocre, once optimized state‐of‐the‐art electrochemical performance is achieved (symmetric cells, full cells with NMC811) without secondary interlayers or functionalized current collectors. Planetary mechanical milling in wet media (m‐xylene) is employed to alter commercial Li 6 PS 5 Cl (LPSCl) powder. Quantitative stereology demonstrates how milling progressively refines grain and pore size/distribution in the SSE compact, increases its density, and geometrically smoothens the SSE‐Li interface. Mechanical indentation demonstrates that these changes lead to reduced site‐to‐site variation in the compact's hardness. Milled microstructures promote uniform early‐stage electrodeposition on foil collectors and stabilize solid electrolyte interphase (SEI) reactivity. Analysis of half‐cells with bilayer electrolytes demonstrates the importance of microstructure directly contacting current collector, with interface roughness due to pore and grain size distribution being key. For the first time, short‐circuiting Li metal dendrite is directly identified, employing 1.5 mm diameter “mini” symmetrical cell and cryogenic focused ion beam (cryo‐FIB) electron microscopy. The branching sheet‐like dendrite traverses intergranularly, filling the interparticle voids and forming an SEI around it. Mesoscale modeling reveals the relationship between Li‐SSE interface morphology and the onset of electrochemical instability, based on underlying reaction current distribution.
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