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Stable Anode‐Free All‐Solid‐State Lithium Battery through Tuned Metal Wetting on the Copper Current Collector

材料科学 集电器 阳极 电解质 法拉第效率 阴极 成核 润湿 化学工程 电池(电) 电极 合金 复合材料 冶金 化学 物理化学 功率(物理) 工程类 物理 有机化学 量子力学
作者
Yixian Wang,Yijie Liu,Mai Nguyen,Jae‐Young Cho,Naman Katyal,Bairav S. Vishnugopi,Hongchang Hao,Ruyi Fang,Nan Wu,Pengcheng Liu,Partha P. Mukherjee,Jagjit Nanda,Graeme Henkelman,John Watt,David Mitlin
出处
期刊:Advanced Materials [Wiley]
卷期号:35 (8): e2206762-e2206762 被引量:103
标识
DOI:10.1002/adma.202206762
摘要

Abstract A stable anode‐free all‐solid‐state battery (AF‐ASSB) with sulfide‐based solid‐electrolyte (SE) (argyrodite Li 6 PS 5 Cl) is achieved by tuning wetting of lithium metal on “empty” copper current‐collector. Lithiophilic 1 µm Li 2 Te is synthesized by exposing the collector to tellurium vapor, followed by in situ Li activation during the first charge. The Li 2 Te significantly reduces the electrodeposition/electrodissolution overpotentials and improves Coulombic efficiency (CE). During continuous electrodeposition experiments using half‐cells (1 mA cm −2 ), the accumulated thickness of electrodeposited Li on Li 2 Te–Cu is more than 70 µm, which is the thickness of the Li foil counter‐electrode. Full AF‐ASSB with NMC811 cathode delivers an initial CE of 83% at 0.2C, with a cycling CE above 99%. Cryogenic focused ion beam (Cryo‐FIB) sectioning demonstrates uniform electrodeposited metal microstructure, with no signs of voids or dendrites at the collector‐SE interface. Electrodissolution is uniform and complete, with Li 2 Te remaining structurally stable and adherent. By contrast, an unmodified Cu current‐collector promotes inhomogeneous Li electrodeposition/electrodissolution, electrochemically inactive “dead metal,” dendrites that extend into SE, and thick non‐uniform solid electrolyte interphase (SEI) interspersed with pores. Density functional theory (DFT) and mesoscale calculations provide complementary insight regarding nucleation‐growth behavior. Unlike conventional liquid‐electrolyte metal batteries, the role of current collector/support lithiophilicity has not been explored for emerging AF‐ASSBs.
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