Understanding the evolution of lithium dendrites at Li6.25Al0.25La3Zr2O12 grain boundaries via operando microscopy techniques

晶界 电解质 材料科学 成核 锂(药物) 快离子导体 金属锂 电极 化学 复合材料 微观结构 物理化学 医学 有机化学 内分泌学
作者
Chao Zhu,Till Fuchs,Stefan A. L. Weber,Felix H. Richter,Gunnar Glaßer,Franjo Weber,Hans‐Jürgen Butt,Jürgen Janek,Rüdiger Berger
出处
期刊:Nature Communications [Nature Portfolio]
卷期号:14 (1) 被引量:81
标识
DOI:10.1038/s41467-023-36792-7
摘要

Abstract The growth of lithium dendrites in inorganic solid electrolytes is an essential drawback that hinders the development of reliable all-solid-state lithium metal batteries. Generally, ex situ post mortem measurements of battery components show the presence of lithium dendrites at the grain boundaries of the solid electrolyte. However, the role of grain boundaries in the nucleation and dendritic growth of metallic lithium is not yet fully understood. Here, to shed light on these crucial aspects, we report the use of operando Kelvin probe force microscopy measurements to map locally time-dependent electric potential changes in the Li 6.25 Al 0.25 La 3 Zr 2 O 12 garnet-type solid electrolyte. We find that the Galvani potential drops at grain boundaries near the lithium metal electrode during plating as a response to the preferential accumulation of electrons. Time-resolved electrostatic force microscopy measurements and quantitative analyses of lithium metal formed at the grain boundaries under electron beam irradiation support this finding. Based on these results, we propose a mechanistic model to explain the preferential growth of lithium dendrites at grain boundaries and their penetration in inorganic solid electrolytes.
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