Revealing Atomic‐Scale Ionic Stability and Transport around Grain Boundaries of Garnet Li7La3Zr2O12 Solid Electrolyte

材料科学 扩散 原子单位 电导率 电解质 离子电导率 化学物理 原子扩散 快离子导体 离子 晶界 结晶学 热力学 物理化学 冶金 微观结构 化学 物理 量子力学 电极
作者
Bo Gao,Randy Jalem,Hong‐Kang Tian,Yoshitaka Tateyama
出处
期刊:Advanced Energy Materials [Wiley]
卷期号:12 (3) 被引量:37
标识
DOI:10.1002/aenm.202102151
摘要

Abstract For real applications of all‐solid‐state batteries (ASSBs) to be realized, understanding and control of the grain boundaries (GBs) are essential. However, the in‐depth insight into the atomic‐scale defect stabilities and transport of ions around GBs is still far from understood. Here, a first‐principles investigation on the promising garnet Li 7 La 3 Zr 2 O 12 (LLZO) solid electrolyte (SE) GBs is carried out. The study reveals a GB‐dependent behavior for the Li‐ion transport correlated to the diffusion network. Of particular note, the Σ3(112) tilt GB model exhibits a quite high Li‐ion conductivity comparable to that in bulk, and a fast intergranular diffusion, contrary to former discovered. Moreover, the uncovered preferential electron localization at the Σ3(112) GB leads to an increase in the electronic conductivity at the GB, and the Li accumulation at the coarse GBs is revealed from the negative Li interstitial formation energies. These factors play important roles in the dendrite formation along the GBs during Li plating in the LLZO|Li cell. These findings suggest strategies for the optimization of synthesis conditions and coating materials at the interface for preventing dendrite formation. The present comprehensive simulations provide new insights into the GB effect and engineering of the SE in ASSBs.

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